Ein Jahr der Innovationen 6 Ein leistungselektronischer Traktionstransformator 11 Unterbrechungsfreie Stromversorgung 27 Eine Fabrik, die lebt 41

Innovation

1|12Die technischeZeitschrift desABB Konzernstechnik

ABB

2 ABB technik 1|12

Das Titelbild dieser Ausgabe der ABB Technik zeigt ein Warmband-walzwerk der Shagang-Gruppe in Jiangsu, China. Das Werk verfügt über eine Kapazität von 3,5 Millionen Tonnen im Jahr. Antriebs- und Leittechnik von ABB sorgen hier für Präzision, Zuverlässigkeit und Effizienz.

Das Bild auf dieser Seite zeigt Windkraftanlagen in Hohhot, China. In diesem entlegenen Teil der Inneren Mongolei hilft Technik von ABB dabei, die Kraft des Windes zu nutzen und den erzeugten Strom zu den Verbrauchszentren zu transportieren.

Inhalt

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Innovations-HighlightsDie bedeutendsten Innovationen von ABB für das Jahr 2012

Kleiner, leichter, effizienterEin leistungselektronischer Traktionstransformator (PETT)

SafeLink CB SchaltanlageEine innovative, integrierte Lösung für die Sekundärverteilung

Innovatives SF6-RecyclingABB eröffnet das erste SF6-Recyclingzentrum der Welt

Ausfallzeiten verhindernSicherung der Stromversorgung bei Netzinstabilitäten

Sicher versorgtZuverlässiger Spannungsschutz empfindlicher Verbraucher

Mehrwert durch IntegrationSystem 800xA setzt neue Maßstäbe für Produktivität in der Automatisierungsindustrie

Die lebende FabrikModellierung einer Säugetierzellkultur für ein Online-Prozessleitsystem

Feldbusprüfung ohne FeldSoft FF senkt den Inbetriebnahmeaufwand durch Simulation von Foundation Fieldbus

Design für Augen und OhrenInnovatives Türkommunikationssystem gewinnt internationalen Designpreis

Sparsame FertigungsbetriebeTeil 3: Gesetzliche Vorschriften als Triebfeder

Usability

Produktion

Energie

Highlights

ABB technik 1|12 4

Editorial

Claes RytoftChief Technology Officer ABB Ltd

Obwohl sich die Produkte und Dienstleistun-gen von ABB in erster Linie an die Industrie und Versorgungswirtschaft richten, bietet das Unternehmen auch Produkte für den Endver-braucher, die den Komfort unserer Häuser verbessern. Das neue Busch-Welcome® System integriert die Funktionen von Türklingel, Türsteuerung, Audio- und Video-kommunikation in ein attraktives, preis-gekröntes Design und setzt neue Maßstäbe in der intuitiven Interaktion. Durch die Nutzung vorhandener Verkabelung kann das System problemlos in vorhandenen Gebäuden nachgerüstet werden.

In weiteren Artikeln befassen wir uns mit der SafeLink CB-Schaltanlage für die Sekun-därverteilung, einem leichteren und energie-effizienteren Traktionstransformator, einem Beispiel für die wirksame Anwendung des ABB Extended Automation System 800xA in der pharmazeutischen Industrie und dem Mehrwert der Integration bei Leitsystemen.Auf der Suche nach den Hemmnissen für mehr Energieeffizienz in der Industrie wirft der dritte und letzte Artikel der Reihe „Sparsame Fertigungsbetriebe“ einen Blick auf die Auswirkungen von Gesetzen und Vorschriften auf die Energieeffizienz.

Ganz gleich, wo Ihre Interessensschwer-punkte liegen, ich hoffe, diese Ausgabe der ABB Technik liefert Ihnen einen faszinierenden Einblick in den Innovationsprozess bei ABB.

Eine interessante Lektüre wünscht Ihnen

Claes RytoftChief Technology OfficerABB Ltd.

Liebe Leserin, lieber Leser,Weltweit arbeiten über 7.500 Ingenieure und Wissenschaftler von ABB an den Techno-logien, Produkten und Dienstleistungen von morgen. Einmal im Jahr gewährt die ABB Technik ihren Leserinnen und Lesern einen Einblick in ihre Labors und widmet eine Ausgabe dem Thema Innovation.

ABB ist ein anerkannter und führender Lieferant von Komponenten und Systemen für die gesamte Stromversorgungskette vom Generator bis zur Steckdose. Eine sichere Stromversorgung ist für viele Verbraucher von kritischer Bedeutung. Neben den Produkten für die klassische Versorgungskette bietet ABB auch unterbrechungsfreie Stromversor-gungen (USV), mit denen kurzzeitige Unter-brechungen überbrückt werden können. Zwei Artikel in dieser Ausgabe befassen sich mit den neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der USV-Technik – ein Bereich, in dem ABB ihre Tätigkeit und Fähigkeiten durch den Erwerb des USV-Herstellers Newave aus gebaut hat.

In modernen Industrieanlagen kommen Zigtausende von Sensoren, Aktoren und Reglern zum Einsatz, deren Zusammenspiel für das korrekte Funktionieren des Prozesses von entscheidender Bedeutung ist. Gleich-zeitig sind Ausfallzeiten extrem kostspielig, weshalb der Prüfaufwand bei der Inbetrieb-nahme vor Ort auf ein Minimum reduziert werden muss. Eine Möglichkeit, Ausfallzeiten zu reduzieren, ohne die Gründlichkeit der Prüfungen zu beeinträchtigen, ist die Durch-führung umfangreicher Simulationen im Werk, bevor die Ausrüstung vor Ort installiert wird. Eine Neuerung in diesem Bereich ist eine Simulation für Foundation Fieldbus, die in diesem Heft vorgestellt wird.

Im Blickpunkt: Innovation

5Editorial

6 ABB review 1|12

Innovation highlights

6 ABB technik 1|12

Der Generatorschutz REG670 gehört zur ABB Relion®-Produktfamilie, die eine breite Palette von Produkten für den Schutz, die Steuerung, die Messung und die Überwachung von Generatoren, Transformatoren, Stromleitungen usw. in einer Vielzahl von Anwendungen umfasst. Um ein hohes Maß an Zukunftssicherheit und Interoperabilität zu gewähr-leisten, unterstützen die Relion-Produkte den Kommunikations-standard IEC 61850.

Der REG670 wurde nun um einen innovativen 100 %-Stator-Erdschluss- und einen sensiblen Rotor-Erdschluss-schutz basierend auf einem Injektions-prinzip erweitert. Der injektionsbasier-te Statorschutz des REG670 bietet 100%igen Schutz der Statorwicklung einschließlich des Sternpunkts in

allen Betriebszuständen, auch bei Stillstand der Maschine. Damit eignet sich der REG670 auch für sehr komplizierte und anspruchsvolle Anlagen wie Pumpspeicherwerke und große Turbinen- und Wasserkraft-generatoren. Verwendet wird ein Injektions signal, dessen Frequenz über der jeweiligen Netzfrequenz liegt (z. B. ein 87-Hz-Signal bei einem 50-Hz-Netz).

Dies bietet viele praktische Vorteile. Ein spezielles Modul (Injection Commissioning) des Bedien- und Parametriertools PCM600 vereinfacht zudem die Installation und Inbetrieb-nahme der injektionsbasierten Stator- und Rotor-Erdschutzfunk-tionen.

Das Bild zeigt den REG670 mit seinem neuen Zubehör für den injektionsbasierten Stator- und Rotor-Erdschlussschutz.

Fortschrittlicher Generatorschutz

Innovations-HighlightsABB ist bestrebt, ihr Produktangebot kontinuierlich zu stärken und zu erweitern. Die Forschungs- und Entwicklungslabors von ABB rund um den Globus arbeiten emsig an der Entwicklung von Technologien, Produkten und Lösungen, die unseren Kunden dabei helfen, ihre Produktivität, Effizienz und Flexibilität zu verbessern. Dabei werden jedes Jahr zahlreiche

Erfolge erzielt, und davon die bedeutendsten aus-zuwählen, ist keine leichte Aufgabe. Auf den folgenden Seiten präsentieren wir einen Querschnitt der jüngsten Innovationen. Viele dieser Neuerungen sowie einige weitere technische Errungenschaften werden in dieser und in kommenden Ausgaben der ABB Technik genauer behandelt.

Die bedeutendsten Innovationen von ABB für das Jahr 2012

7Topic 7Innovations-Highlights

aufgenommen werden, und bei Abwesen heit der Bewohner werden von jedem Besucher nach dem Klingeln automatisch drei Bilder gespeichert. Das Display kann zudem als digitaler Bilderrahmen verwendet werden.Bei Gebäuden mit mehreren Eingängen können mehrere Video-Außenstationen angeschlossen und die Audio- und Videosignale im gesamten Gebäude verteilt werden. Außerdem kann das System als Video-Innensprechstelle genutzt werden.Die intuitive Bedienung, elegante Installation, dezente Ästhetik und allgemeine Harmonie der Produkte begeistert auch die Designwelt. So wurde das Busch-Welcome-System mit dem renommierten „iF product design award 2012“ ausgezeichnet, und Busch-Jaeger erhielt für vier seiner Produkte die Auszeichnung „Interior Innovation Award – Winner 2012“.

Das Busch-Jaeger Türkommunika-tionssystem besticht nicht nur durch neueste Technologie, sondern auch durch sein ästhetisches Äußeres. Nicht umsonst wurde es auf der Fachmesse imm cologne mit dem Label „Interior Innovation Award – Winner 2012“ ausgezeichnet.

Die Busch-Welcome® Produktserie ermöglicht Hausbewohnern die Kommunikation mit Besuchern vor der Tür. Die Produkte reichen von der reinen Audio-Kommunikation bis hin zu einer hochauflösenden Farbkamera für den Außenbereich, die ihre Bilder auf ein 17,8 cm (7“) großes TFT Touch-Display im Innenbereich überträgt.Es können Fotos von den Besuchern

Preisgekrönte Türkommunikation

Es lässt sich wohl kaum bestreiten, dass jemand, der seinen Energie-verbrauch kennt, versuchen wird, sein Nutzungsverhalten zu verbes-sern. Dabei können sich selbst geringste Verbesserungen, die von vielen Einzelnen erzielt werden, positiv auf die Schonung von Ressourcen und die Reduzierung von Treibhausgasen auswirken. Doch wer kann schon genau sagen, wie viel Wasser, Gas, Öl oder Strom er oder sie gestern verbraucht hat? Kaum jemand, was daran liegt, dass die entsprechenden Daten für Privatpersonen kaum in aussage-kräftiger Form zur Verfügung stehen.

Eine neue Produktserie von Busch-Jaeger ändert dies. In Verbindung mit dem EnergieDaten Gateway sorgen das Busch-EnergyControl®, Busch-EneergyDisplay® und Busch-Comfort-Panel® für eine optimale Transparenz des Energieverbrauchs.

Verbrauchs-kontrolle

Diese Produkte ermöglichen dem Verbraucher eine genaue Über-wachung und Steuerung seines Verbrauchs sowie die gezielte Nutzung günstigerer Schwachlastzeiten. Die Systeme können nicht nur nahtlos in die Gebäudesystemtechnik inte griert werden, sondern bieten auch Internet-zugang, Entertainment und IP-basierte Kommunikationsmöglichkeiten. So kann der Nutzer von einem einzigen Display aus seinen Energieverbrauch prüfen und steuern, Internetseiten

aufrufen, E-Mails empfangen und verschicken, IP-Telefonie nutzen, MP3s abspielen oder Videoclips ansehen.Die interne Kommunikation mit anderen Busch-ComfortPanels ist per Videotelefon und der integrierten Videokamera möglich. Die Kamera kann zudem zur Raumüberwachung und sogar als „Babywächter“ einge-setzt werden.

Diese Produkte werden in Heft 2/2012 der ABB Technik genauer vorgestellt.

Busch-Jaeger ist ein Unternehmen des ABB-Konzerns. Mehr über das Tür kommuni-kations system von Busch-Jaeger erfahren Sie im Artikel „Design für Augen und Ohren“ auf Seite 53 dieses Hefts.

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Wenn Sie das nächste Mal ein Gewitter sehen, bei dem sich Tausende von Ampere bei mehreren Millionen Volt entladen, denken Sie einmal an die empfindlichen Ferti-gungsprozesse, die diesen Natur-gewalten standhalten müssen. ABB ist ein bedeutender Anbieter von Technik, die dies ermöglicht. Zwei neue Beispiele hierfür sind der aktive Spannungsregler PCS100 AVC und die unterbrechungsfreie Stromversorgung PCS100 UPS-I.

Empfindliche Fertigungsprozesse benötigen eine robuste und unterbre-chungsfreie Stromversorgung. Doch natürliche Phänomene und Ereignisse im Netz können die Versorgung

Ein Sektor, der zurzeit starkes Wachstum genießt, sind Datenzent-ren, d. h. die großen Ansammlungen von Servern und Speichermedien, die Websites wie Facebook und Google (die Stromversorgung des ersten Datenzentrums von Face-book außerhalb der USA wurde übrigens von ABB realisiert), aber auch Banksysteme, Patienten-daten systeme und unzählige andere Anwendungen unterstützen. In jüngster Zeit werden solche Daten-zentren allerdings wegen ihres Energieverbrauchs kritisch beäugt.

Bevor der Strom aus dem Wechsel-stromnetz zu den einzelnen Mikro-prozessoren oder Laufwerken in einem Datenzentrum gelangt, wird er mehrfach umgewandelt, wobei etwa 50 % der Energie verloren gehen kann.

gefährden und kostspielige Folgen haben. Der aktive Spannungsregler PCS100 AVC schützt Industrieanlagen vor Spannungsschwankungen und -einbrüchen mit einer Tiefe von bis zu 30 % und einer Dauer von bis zu 30 s.Fällt die Stromversorgung vollständig aus, hilft das Offline-USV-System PCS100 UPS-I. Im Falle einer Stö-rung, trennt es die Netzverbindung automatisch und versorgt den Verbraucher bis zum Hochfahren von Notstromgeneratoren. Der PCS100 UPS-I ist mit wartungsarmen Hoch-leistungskondensatoren oder moderns-ter Batterietechnik erhältlich und bietet wirksamen Schutz gegen kurzzeitige Unterbrechungen oder Stromausfälle von bis zu 30 s Dauer.

Mehr über die Produkte PCS100 AVC und PCS100 UPS-I lesen Sie im Artikel „Sicher versorgt“ auf Seite 30 dieses Hefts.

Eine interessante Alternative ist die Gleichstromversorgung. Diese ermög-licht eine einfachere Gesamt architektur, die günstiger zu instal lieren ist und weniger Platz beansprucht. Ein Gleichstromsystem erfordert zudem weniger Spannungsumwandlungen, erzeugt weniger Wärme und benötigt weniger Kühlung. Außerdem erleichtert es die direkte Nutzung von Gleich-strom, wie er aus Wind- und Sonnen-energie gewonnen wird.

Es gibt bereits eine Reihe von Datenzentren, die mit Gleichstrom-systemen arbeiten, und verschiedene Entwicklungen lassen einen zukünf-tigen Anstieg der Zahl von Daten-zentren mit Gleichstromversorgung erwarten.

Diese Entwicklungen werden in einer der kommenden Ausgaben der ABB Technik genauer behandelt.

Schutz für sensible Verbraucher

Auf direktem Weg

9Topic 9Innovations-Highlights

Der PETT stellt eine leichtere und energieeffizientere Alternative zur üblichen Kombination aus Trans-formator und Gleichrichter dar. Er wandelt die Netzfrequenz (beim Demon strator 16,7 Hz) in eine höhere Frequenz um, die den Bau eines deutlich kleineren und leichteren Transformators ermöglicht. Die zukünftige Generation des PETT, die zurzeit entwickelt wird, soll eine Leistungsdichte von 0,5 bis 0,75 kVA/kg (im Vergleich zu 0,2 bis 0,35 kVA/kg für die herkömmliche Kombination aus Transformator und Gleichrichter) erreichen. Gleichzeitig soll der Wirkungsgrad von bisher 88 bis 90 % auf über 95 % steigen.

Mehr über den PETT erfahren Sie im Artikel „Kleiner, leichter, effizienter“ auf Seite 11 dieses Hefts.

Der Traktionstransformator gehört zu den schwersten Einzelkompo-nenten eines Zugs. ABB ist dabei, die Größe und das Gewicht dieses massiven Gebildes aus Eisen und Kupfer durch Erhöhung der Frequenz mithilfe von leistungs-elektronischen Komponenten zu reduzieren. Seit Anfang 2012 wird ein Demonstrator des PETT in einer Lokomotive getestet.

Der leistungs-elektronische Traktionstrans-formator (PETT)

ABB hat ein neues Gerät entwickelt, das den schnellen und sicheren Zugang zu ABB-Serviceleistungen ermöglicht. Der ABB ServicePort fungiert als robuster Knotenpunkt, der am Kundenstandort installiert werden kann. Über dieses Gateway können Services sowohl vor Ort als auch über eine sichere Remote-Verbindung aus der Ferne konfigu-riert und implementiert werden.

Mit seinen benutzerdefinierten Sicherheitsmerkmalen fungiert das Gerät als „Servicekoordinator“ vor Ort. Der ServicePort unterstützt die Systemkonfiguration, Wartung und Instandhaltung, Verfolgung von Arbeitsaufträgen, Ersatzteilverwaltung, Systemdiagnose, Zustandsüber-wachung, Umsetzung von Korrektur-maßnahmen und Planung von Service arbeiten und ermöglicht ABB die schnelle und kostengünstige Bereitstellung von präven tiven und

korrek tiven Serviceleistungen. Diagno-se- und remotefähige Funktionen können hinzugefügt werden, während diese entwickelt werden.

Der Zugriff vom ServicePort auf das Anlagennetzwerk ist benutzerbestimmt, d. h. der Kunde kann wählen, welche Daten sicher mit ABB geteilt werden sollen. Das Gerät bietet erhebliche finanzielle Vorteile, denn es gewährt Zugang zu ABB-Experten ohne den üblichen Zeit- und Kostenaufwand für einen Besuch vor Ort.

Der ServicePort bietet unmittelbaren Zugang zu Services, die zur Aufrecht-erhaltung der Produktion, Maximierung des Lebenszyklus von Systemen, Optimierung von Prozessen und Sicherung eines erstklassigen Betriebs beitragen. Zu den verfüg baren Services gehören Ereignis meldungen, Regler-tunings, Optimierungs- und Support-leistungen, Softwareunterstützung, Funktions zustandsprüfungen und Fehler beseitigungen aus der Ferne.

Der ABB ServicePort wird in Heft 2/2012 der ABB Technik ausführlicher behandelt.

Neuer Zugang zu ABB-Services

10 ABB review 1|12 10 ABB technik 1|12

Das flexible und benutzerfreund liche robotergestützte Produkt angebot von ABB mit drei verschiedenen Robotern, drei Greifern und entspre-chender Software macht automati-siertes Palettieren ein facher, schnel-ler und effizienter.

Seit Jahren wird der Standard-Palettier-roboter IRB 660 von ABB für nahezu alle Palettieraufgaben eingesetzt. Nun hat ABB ihr Produktangebot um zwei neue Roboter erweitert und ist damit in der Lage, sämtliche Palettierungs-anforderungen zu erfüllen.Mit einer Handhabungskapazität von 110 kg und einer Reichweite von 2,4 m eignet sich der IRB 460 – der schnellste Palettierroboter der Welt – ideal für das Palettieren am Ende der Verpackungs-linie und das Palettieren von Säcken. Dabei benötigt der IRB 460 20 %

weniger Stellfläche und ist um 15 % schneller als vergleichbare Roboter.Für die Hochleistungs-Lagenpalettie-rung größerer Produkte wie Baumaterial und Chemikalien bietet ABB den IRB 760. Mit einer Handhabungskapazi-tät von 450 kg und einer Reichweite von 3,2 m kann dieser Roboter kom-plette Lagen schneller palettieren als jeder andere Roboter. Neu im Greifer-

angebot von ABB sind ein Klemmgreifer zur Handhabung von Kisten, ein Krallengreifer zur schnellen Palettierung von Säcken und ein Vakuumgreifer zur gleichzeitigen Aufnahme von bis zu fünf Produkten. Die Roboter- und Greifer-komponenten sind sofort einsatzbereit, was die Engineeringzeit für den Kunden erheblich verkürzt.Die ABB RobotStudio Palletizing PowerPac Software ermöglicht die Konfiguration, Simulation und Program-mierung von ABB-Robotern und Greifern ohne umfangreiche Program-miererfahrung. Vordefinierte Signale zwischen Roboter und Greifer beschleu-nigen dabei die Konfiguration. Unabhän-gig vom Produktionsstandort können Palettierzellen mithilfe der gleichen ABB-Standardsoftware aufgebaut werden, ohne dass eine individuelle Programmierung an verschiedenen Standorten erforderlich ist.

Weitere Informationen erhalten Sie unter www.abb.com/robotics

Praktische Palettierungslösungen

Stellen Sie sich ein Schiff mit einem effizienten, modernen elektrischen Antriebssystem vor. Reduzieren Sie den Platzbedarf und das Gewicht der elektrischen Ausrüstung um 30 %, und senken Sie den Kraft-stoffverbrauch und die Emissionen um 20 %. Ein Gleichstrom-Bordnetz von ABB macht dies möglich.

Das DC-Bordnetz ist eine Erweiterung der vielen Gleichstromverbindungen, die auf Schiffen mit elektrischem Antriebssystem bereits existieren und über 80 % des elektrischen Energie-verbrauchs ausmachen. Erweiterung bedeutet, dass alle bewährten Produkte in heutigen Schiffen wie Wechselstromgeneratoren, -motoren, Wechselrichtermodule usw. erhalten bleiben. Dafür kann auf sperrige Schaltanlagen und Trans formatoren verzichtet werden. Das Ergebnis ist das bis dato flexibelste Stromversor-

DC-Netz an Bord

gungs- und Antriebs system für Schiffe.

Effizienzverbesserungen werden in erste Linie dadurch erzielt, dass das System nicht mit einer bestimmten Frequenz arbeiten muss. Da jeder Stromrichter so nahe wie möglich am jeweiligen Verbraucher bzw. Erzeuger platziert werden kann, d. h. die Einheiten nicht zentral angeordnet werden müssen, steigt die Flexibilität beim Entwurf und Bau von Schiffen. Durch die geringere

Stellfläche bleibt wesentlich mehr Platz für die Fracht.

Darüber hinaus ermöglicht das System die Kombination verschiede-ner Energiequellen wie Verbrennungs-motoren, Turbinen und Brennstoff-zellen sowie die Einbindung von Energiespeichersystemen wie Batterien oder Superkondensatoren.

Ein längerer Beitrag zu dieser Innovation erscheint in der Ausgabe 2/2012 der ABB Technik.

11Kleiner, leichter, effizienter 11

Kleiner, leichter, effizienterEin leistungselektronischer Traktionstransformator (PETT)

MAx CLAESSENS, DRAZEN DUJIC, FRANCISCO CANALES,

JÜRGEN K. STEINKE, PHILIPPE STEFANUTTI, CHRISTIAN

VETTERLI – Was klein ist, gilt häufig als schön. Wenn es jedoch um Technik geht, gibt es noch viele weitere Gründe, warum kleiner besser ist. In vielen Anwendungen haben Gewicht und Platzbedarf unmittelbare Auswirkungen auf die Produktivität, weshalb viel Forschungsaufwand in die Ver - kleinerung von Komponenten investiert wird. Bei Leistungs-transformatoren wird die Mindestgröße weitgehend von den Gesetzen der Physik bestimmt, da der Kern aufgrund des Magnetfelds eine gewisse Größe besitzen muss. Ein beson-ders anspruchs volles Einsatzgebiet für Transformatoren ist die Eisenbahn. Je mehr Platz der Transformator im Zug

einnimmt, desto weniger Raum bleibt für Passagiere. Das Gewicht ist ein weiterer Faktor, der sich im Hinblick auf die zulässige Achslast und die zur Beschleunigung benötigte Energie bemerkbar macht. Zum Glück bieten die Gesetze der Physik eine Möglichkeit, diese Komponente kleiner und leich- ter zu gestalten: die Frequenz. Je höher die Frequenz, desto kleiner kann der Kern sein. Dieses Prinzip wird auch bei Klein- leistungsgeräten wie Laptop-Netzteilen genutzt. Die Anwen-dung auf große Hochleistungsgeräte wie Traktionstransforma-toren erfordert jedoch etwas mehr als eine simple Skalierung. ABB hat sich dieser Herausforderung gestellt und den Proto-typ eines leistungselektronischen Transformators entwickelt, der zurzeit in einer echten Lokomotive getestet wird.

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Heute gibt es historisch bedingt ver-schiedene Bahnstromsysteme, die sich häufig danach richten, was zu Beginn der Elektrifizierung in dem jeweiligen Land bzw. der jeweiligen Region Stand der Technik war ➔ 1.

Bei traditionellen lokomotivbespannten Zügen ist der schwere Transformator nicht unbedingt von Nachteil, denn er unterstützt die Haftung auf der Schiene. Die maximale Kraft, die eine Lokomotive zum Ziehen der Wagons aufwenden kann, ohne die Haftung auf den Schie-

nen zu verlieren, wird durch das Gewicht der Loko-motive begrenzt. Im modernen Per-sonenverkehr wer-den jedoch ver-stärkt Triebzüge eingesetzt, bei de-nen die Antriebs-technik nicht allein in einer Lokomo-tive, sondern über

die gesamte Länge des Zuges verteilt in den Passagierwagen untergebracht ist. Durch die größere Zahl von Antriebsach-sen spielt die Haftung als einschränken-der Faktor für die Beschleunigung des Zugs keine gewichtige Rolle mehr – das Gewicht und die Größe des Transfor-mators stellen aber nach wie vor eine bedeutende Einschränkung für die Kons-trukteure von Schienenfahrzeugen dar.

Ein idealer Zug würde das niedrige Gewicht und den geringen Platzbedarf der Ausrüstung von Gleichstromzügen

In den Anfangstagen der Eisenbahn-elektrifizierung war Gleichstrom (DC) die am häufigsten verwendete Energie-quelle. Da die Spannung damals noch

nicht an Bord der Lokomotiven herunter-transformiert werden konnte, musste der Strom vom Unterwerk mit einer niedrigen

Spannung (zwischen 750 und 3.000 V) zum Zug übertragen werden, damit er direkt in die Traktionsmotoren eingespeist werden konnte. Die niedrige Spannung war jedoch mit hohen Leistungsverlusten im Fahrdraht ver bunden.

Später reduzierte man die Übertragungs-verluste durch die Verwendung von Ein-phasen-Wechselstrom (AC) mit höheren Spannungen (15 kV/16,7 Hz und 25 kV/ 50 Hz). Der Preis hierfür war jedoch, dass nun große, schwere Transformato-ren im Zug mitgeführt werden mussten.

mit den geringen Übertragungsverlus- ten der Hochspannungs-Wechselstrom-technik kombinieren. Im Wesentlichen besteht die Herausforderung also darin, das Gewicht des Transformators zu redu zieren.

Leider sind die Größe und das Gewicht eines Transformators den Gesetzen der Physik unterworfen. Die minimale Größe eines Transformators wird dabei unter anderem durch die Frequenz und die Nennleistung bestimmt, wobei niedrigere Frequenzen größere Transformatoren erfordern. Ein Transformator für höhere Frequenzen ermöglicht Einsparungen sowohl beim Gewicht als auch beim Platzbedarf. Dies ist der Ansatz des leis-tungs elektronischen Traktionstransfor-mators (Power-Electronic Traction Trans-former, PETT) von ABB.

Funktionsprinzip des PETTAbbildung ➔ 2 zeigt die Stromwandlung in einem modernen Wechselstromzug. Der Strom aus dem AC-Fahrdraht (Ober-leitung) fließt durch die Primärwicklun- gen eines Niederfrequenz-Transformators (NFT) zur Schiene (die als Rückleitungs-pfad fungiert). Die abgesenkte Spannung an den Sekundärwicklungen des Trans-formators wird in einen Vierquadranten-steller gespeist, der die DC-Zwischen-kreisspannung bereitstellt. Diese wird schließlich von einem Wechselrichter in Wechselstrom mit variabler Frequenz

Da die meisten Großtrans-formatoren stationär eingesetzt werden, dürfte der Eisenbahn-sektor wohl der Bereich sein, der am meisten von einer Gewichts reduzierung profitiert.

TitelbildDie Rangierlokomotive Ee 933 der Schweizerischen Bundesbahnen (SBB), auf der der PETT-Demon-strator von ABB installiert ist.

Nicht elektrifiziert

750 V DC

1,5 kV DC

3 kV DC

15 kV, 16,7 Hz AC

25 kV, 50 Hz AC

1 Bahnstromsysteme in Europa

13Kleiner, leichter, effizienter

AC-Bahnstromnetzen verwendeten Span- nungen zu sperren, wird eine Reihen-schaltung benötigt. Statt einer massen-haften Reihenschaltung von Halbleitern zu einzelnen Ventilen verwendet die von ABB entwickelte Lösung eine Kaskaden-schaltung von Umrichtermodulen auf der Hochspannungsseite, wobei die Aus-gänge auf der DC-Seite parallel geschal-tet sind ➔ 4. Durch diese Topologie ist die Lösung skalierbar und bietet Mög-lichkeiten für eine redundante Ausfüh-rung („M von N“-Prinzip).

Bevor der Wechselstrom aus dem Fahr-draht das erste Umrichtermodul erreicht, fließt er durch eine Filterdrossel. Jedes Modul des Umrichters besteht aus einer aktiven Einspeiseeinheit (Active Front End, AFE) und einem DC/DC-Umrichter-block ➔ 5. Der AFE-Block ist im Wesent-lichen eine H-Brücke, die das Laden der Zwischenkreiskondensatoren reguliert. Mit dieser Topologie ist auch eine aktive Leistungsfaktorregelung möglich.

Umrichter in KaskadenschaltungEin weiterer Vorteil der Kaskadentopo-logie besteht darin, dass jedes Modul unabhängig geschaltet werden kann. Dies ermöglicht eine Verschachtelung der Schaltmuster der H-Brücken.

Bei einer gleichmäßigen Verschachtelung (d. h. um 360°/N versetzt, wobei N der Anzahl der Stufen entspricht) ist auf der Netzseite des Umrichters eine schein-bare (äquivalente) Schaltfrequenz zu be-obachten, die 2N-mal höher ist als die tatsächlichen Schaltfrequenzen der ein-zelnen H-Brücken. Diese hohe Schein-

und variabler Spannung für die Trak-tionsmotoren umgewandelt. Hilfsbetrie-be können ebenfalls vom DC-Zwischen-kreis gespeist werden.

Für die Verwendung eines Mittelfre-quenz-Transformators (MFT) muss ein Frequenzumrichter vor den Transfor-mator geschaltet werden ➔ 3. Auf der Sekundärseite des Transformators wan-delt ein Gleichrichter die Spannung in die DC-Zwischenkreisspannung um.

Eine der großen Herausforderungen dieser Topologie besteht darin, dass auf der Hochspannungsseite ein Umrichter erforderlich ist. Da aktuelle Halbleiter-elemente nicht in der Lage sind, die in

Heute gibt es historisch bedingt verschiedene Bahnstromsysteme, die sich häufig danach richten, was zu Beginn der Elektrifizierung jeweils Stand der Technik war.

AC-Fahrdraht (15 kV, 16,7 Hz / 25 kV, 50 Hz)

Schiene (Erde)

Niederfrequenz-Haupttransformator

NFT

1

Hauptumrichter

DC-Zwischenkreis

Traktionsmotor

M

2 Stromwandlung in einem modernen Wechselstromzug

3

3

3 Stromwandlung mit einem Mittelfrequenz-Transformator

AC-Fahrdraht (15 kV, 16,7 Hz / 25 kV, 50 Hz)

Schiene (Erde)

Mittelfrequenz-Transformator

MFT

1

HS-DC-Zwischenkreis NS-DC-Zwischenkreis

Traktionsmotor

M3

3

14 ABB technik 1|12

schaltfrequenz (verbunden mit der höhe-ren Zahl von Spannungszwischenstufen) führt zu einer geringeren harmonischen Verzerrung, als sie mit herkömmlichen Traktionsumrichtern möglich ist, sodass die Filteranforderungen am Eingang redu-ziert werden. Beispiele für entsprechende Wellenformen sind in ➔ 6 dargestellt.

Mittelfrequenz-TransformatorenMittelfrequenz-Transformatoren erfüllen drei Hauptaufgaben. Zunächst sorgen sie für eine galvanische Trennung der netz-seitigen Hochspannung und der mit der Last verbundenen Niederspannungs-seite. Ihre zweite Aufgabe ist die Bereit-stellung einer geeigneten Spannungsan-passung zwischen der DC-Lastspannung von 1,5 kV und der DC-Zwischenkreis-spannung im Eingangsmodul von 3,6 kV. Und drittens sollen sie ein weiches Schal-

Der AC 800PEC-Controller von ABB erlaubt die Integration von schnellen und langsamen Rege-lungsfunktionen.

4 PETT mit Umrichtermodulen in Kaskadenschaltung auf der Primärseite und parallel geschalteten Ausgängen auf der Sekundärseite

Schiene

Fahrdraht

Zelle 2

Zelle 1

Zelle N

5 Jedes Modul besteht aus einem AFE- und einem DC/DC-Umrichterblock.

DC / DC

IGBT 6,5 kV, 400 A

S1 S5 S7

Cr Lm

TR

Lr

SC

S2 S6 S8

S3

S4

C2 C4

C1 C3

AC / DC

IGBT 3,3 kV, 800 A

15Kleiner, leichter, effizienter

ten der IGBT-Module (Insulated-Gate Bi-polar Transistor) in den LLC-Resonanz-kreisen (siehe unten) unterstützen. Da die dielektrischen Herausforderungen mit der Reduzierung der Gesamtgröße steigen, muss dieser Aspekt sorgfältig untersucht werden.

Im derzeitigen PETT-Demonstrator teilen sich alle neun Transformatoren ebenso wie die Netzdrossel und der Vorladekreis denselben ölgefüllten Kessel ➔ 7.

LLC-SchaltmodusJeder der neun Mittelfrequenz-Transfor-matoren ist Teil des entsprechenden DC/DC-Umrichters ➔ 4. Durch Nutzung der Streu- und Magnetisierungsinduktivi-täten des Transformators und der Kon-densatoren des externen Stromkreises entsteht ein LLC-Resonanzkreis (Lr, Lm

und Cr in ➔ 5). Zu den Vorteilen eines LLC-Kreises gehören:– ein großer Ausgangsregelbereich,– Senkung der Schaltverluste auf der

Primärseite durch spannungsloses Schalten (Zero Voltage Switching, ZVS) über den gesamten Lastbereich hinweg,

– bauartbedingter niedriger Abschalt-strom (kein echtes stromloses Schal-ten (Zero Current Switching, ZCS)),

– Geringe Spannungsbelastung und ZCS am sekundärseitigen Dioden-gleichrichter,

– lastunabhängiger Betrieb bei Resonanz frequenz.

Da ein LLC-Kreis auf dem Resonanzprin-zip basiert, kann die Veränderung der Schaltfrequenz zur Regelung der Aus-gangsspannung genutzt werden. Im der-

Dank seiner kom-pakten Abmessun-gen kann der PETT leicht unter dem Wagenboden oder auf dem Zugdach untergebracht werden, wodurch mehr Platz für die Passagiere zur Verfügung steht und der Energie-verbrauch sinkt.

6 Gemessene PETT-Wellenformen

Mit dem PETT-Demonstrator gemessene Wellenformen bei einer Leistungsabgabe an den DC-Traktionsmotor von 900 kW (a, b), 500 kW (c, d) und 100 kW (e, f)

iTr_HV : Transformator-Primärstrom

iTr_LV : Transformator-Sekundärstrom

uS6_ce : Kollektor-Emitter-Spannung am IGBT S6 in ➔ 5.

uline : Netzspannung

iline : Netzstrom

uload : Lastspannung

-1250

0

1250

(V)

-50

0

50

(A)

0,050 0,15 0,20,1Zeit (s)

1000

2000

3000

(V)

-200

0

200

(A)

0,20 0,6 1,00,4Zeit (ms)

1000

2000

3000

(V)

-100

0

100

(A)

0,20 0,6 1,00,4Zeit (ms)

1000

2000

3000

(V)

-20

0

20

(A)

0,20 0,6 1,00,4Zeit (ms)

-1250

0

1250

(V)

-15

0

15

(A)

0,050 0,15 0,20,1Zeit (s)

-1250

0

1250

(V)

-100

0

100

(A)

0,050 0,15 0,20,1Zeit (s)

a

c

e

b

d

f

16 ABB technik 1|12

zeitigen PETT-System wird dies jedoch nicht genutzt. Stattdessen wird der LLC-Resonanzumrichter rückkopplungs-frei mit einer festen Schaltfrequenz von 1,75 kHz betrieben, die unterhalb der Resonanzfrequenz liegt.

RegelungssystemDie Regelungsvorgaben können wie folgt zusammengefasst werden:– Erhaltung eines sinusförmigen

Eingangsstroms– Nahezu Leistungsfaktor eins– Konstante durchschnittliche

DC-Zwischenkreisspannung

– Abschottung gegen Netzoberschwin-gungen

Als Hardware dient der AC 800PEC-Controller von ABB, der die Integration von schnellen und langsamen Rege-lungsfunktionen erlaubt.

PETT-Demonstrator in der SBB-Lokomotive Ee 933Dank einer langjährigen Partnerschaft zwischen den Schweizerischen Bundes-bahnen (SBB) und ABB wird derzeit eine PETT-Piloteinheit auf einer Rangier-lokomotive vom Typ Ee 933 (➔ Titelbild) getestet. Anfang 2008 begann ABB mit den umfangreichen Forschungs- und Engineering arbeiten an den Teilsyste-men. Im Frühjahr 2011 wurde der PETT-Demonstrator fertiggestellt und umfas-senden elektrischen Prüfungen im Labor unterzogen, bevor die Piloteinheit in Betrieb genommen wurde.

Der vorhandene Traktionstransformator und der GTO-Gleichrichter der Ee 933 wurden entfernt, um Platz für den PETT zu schaffen. Außerdem mussten einige mechanische Komponenten und elektro-nische Schnittstellen angepasst werden.

Die Lokomotive wird im Bahnstromnetz mit 15 kV/16,7 Hz betrieben. Die Pilot-einheit wurde Mitte 2011 fertiggestellt und Ende des Jahres vom Schweizeri-schen Bundesamt für Verkehr (BAV) zugelassen. Im Februar 2012 nahm die

7 Der Transformatorkessel und der Mittelfrequenz-Transformator

Dank einer lang-jährigen Partner-schaft zwischen den Schweizeri-schen Bundes-bahnen (SBB) und ABB wird derzeit eine PETT-Pilot-einheit auf einer Rangierlokomotive vom Typ Ee 933 getestet.

17Kleiner, leichter, effizienter

Loko motive im Bahnhof Genf Cornavin den Rangierbetrieb auf.

Der PETT ➔ 8 verfügt über neun Module in Kaskadenschaltung, von denen aller-dings nur acht für den Betrieb notwendig sind (das neunte steht als Redundanz zur Verfügung). Die Einheit hat eine Nennleistung von 1,2 MW und kann kurzzeitig eine Spitzenleistung von 1,8 MW liefern. Die DC-Ausgangsspan-nung beträgt 1,5 kV. Das Gesamtgewicht einschließlich Kühlung liegt bei 4.500 kg. Vergleicht man dies mit Traktionstrans-formatoren gleicher Nennleistung, muss berücksichtigt werden, dass der PETT nicht nur den eigentlichen Transformator, sondern auch den NS-Gleichrichter er-setzt (vergleiche ➔ 2 und ➔ 3).

Das Hauptziel der Piloteinheit besteht darin, die Praktikabilität der Technolo- gie zu untersuchen. Ein weiterer Aspekt war die Gewichtsoptimierung. Die Leis-tungsdichte heutiger Kombinationen aus Trans formator und Gleichrichter liegt im Bereich von 0,2 bis 0,35 kVA/kg. Die zukünftige Generation des PETT, die zurzeit entwickelt wird, soll mit 0,5 bis 0,75 kVA/kg noch deutlich darüber liegen.

Weitere Vorteile sind:– Steigerung des Wirkungsgrads vom

AC-Eingang bis zum DC-Ausgang von bisher 88–90 % auf über 95 % (Der durchschnittliche Wirkungsgrad heutiger eigenständiger Traktions-transformatoren für 15 kV/16,7 Hz liegt bei 90–92 %.)

– Verbesserte EMV und reduzierte Oberschwingungen

– Geringere Geräuschemissionen

Alle diese Faktoren sind ideale Vorausset-zungen für das erklärte Ziel des PETT, eine kleine, leichte und dennoch leistungsfähi-ge Umrichterlösung zu bieten, die sich problemlos in die Züge von morgen integ-rieren lässt und in unmittelbarer Nähe zu den Passagieren betrieben werden kann.

Der Transformator von morgen?Da die meisten Großtransformatoren stationär eingesetzt werden, dürfte der Eisen bahnsektor wohl der Bereich sein, der am meisten von einer Gewichtsredu-zierung profitiert. Deshalb sollte diese Innovation auch zuerst in diesem Bereich Anwendung finden.

Auch wenn der hier beschriebene PETT in einer Rangierlokomotive installiert ist, liegt sein wahres Potenzial im Einsatz in Triebzügen für den Personenverkehr wie

Max Claessens

ABB Power Products, Transformers

Zürich, Schweiz

max.claessens@ch.abb.com

Dražen Dujic

Francisco Canales

ABB Corporate Research

Baden-Dättwil, Schweiz

drazen.dujic@ch.abb.com

francisco.canales@ch.abb.com

Jürgen K. Steinke

ABB Power Electronics

Turgi, Schweiz

juergen.steinke@ch.abb.com

Philippe Stefanutti

Christian Vetterli

ABB Sécheron SA

Genf, Schweiz

philippe.stefanutti@ch.abb.com

christian.vetterli@ch.abb.com

8 Der vollständige PETT Die Piloteinheit wurde Mitte 2011 fertiggestellt und Ende des Jahres vom Schweizeri-schen Bundesamt für Verkehr (BAV) zugelassen.

Nahverkehrs- oder Hoch geschwin dig-keits zügen. Dank seiner kompakten Ab-messungen kann der PETT leicht unter dem Wagenboden oder auf dem Zug-dach unter gebracht werden, wodurch mehr Platz für die Passagiere zur Ver-fügung steht und der Energieverbrauch des Zuges sinkt.

18 ABB technik 1|12

PRAVIN FUTANE, GERHARD SALGE, SUBBIAH THEVAR DUKKAIAPPAN,

V. RAMESH – In modernen Mittelspannungsnetzen für die Sekun-därverteilung sind Funktionen wie Erdung, Schalten, Trennen, Kabelanschlüsse, Sammelschienenerweiterung und -schutz idealerweise in kompakten, kostengünstigen und wartungsfreien Funktionseinheiten integriert. Die neue Freiluft-Ringkabelschalt-anlage SafeLink CB von ABB, die speziell für sekundäre 12-kV-Verteilnetze entwickelt wurde, ist genau so eine Anlage. Das neueste Mitglied der ABB „Safe“-Reihe von Mittelspannungspro-dukten stellt eine kostengünstige, sichere, kompakte, robuste und wartungsfreie Lösung für Stromverteilungsanwendungen dar.

Eine innovative, integrierte Lösung für die Sekundär-verteilung

SafeLink CB Schaltanlage

19SafeLink CB Schaltanlage

taktverschleiß und eine lange Lebens-dauer von 30.000 Schaltspielen bei Nennstrom. Darüber hinaus schützt das Vakuum die Kontakte, indem es Oxida-tion und Verschmutzung verhindert.

Da Standardisierung bei technischen Qualitätsprodukten eine wichtige Rolle spielt, kommen im Vakuum-Leistungs-schaltermodul (VCB) bewährte Federan-triebe vom Typ EL zum Einsatz. Die EL2-Antriebe verfügen über verschiedene inte grierte Merkmale, sind robust, lang-lebig und für eine hohe Anzahl von mechani schen Schaltspielen ausgelegt.

Die ABB-Kabeldurchführungen für SF6-Schaltanlagen haben ihre hohe Leis-tungsfähigkeit ebenfalls in einer Vielzahl von Installationen in Verteilnetzen, Kraft-werken und Industrieanlagen unter Beweis gestellt. An Standorten mit hoher Luftfeuchtigkeit oder Kondensations-problemen hat sich der Einsatz von Kabel durchführungen in Kombination mit vollständig abgeschirmten Anschlüssen bewährt.

Die umweltfreundlichen Fertigungsver-fahren, die bei der Herstellung der Safe-Link CB eingesetzt werden, entsprechen den Normen ISO 9001 und ISO 14001. Die Materialien werden sorgfältig aus-gewählt, um eine größtmögliche Wieder-

D ie Ringkabelschaltanlage Safe-Link CB für die Sekundärver-teilung wurde im hochmoder-nen ABB-Werk für Mittelspan-

nungsprodukte im indischen Nashik kon-zipiert und entwickelt. Durch den Einsatz von numerischen Simulationstools ➔ 1 für eine effiziente Entwicklung gelang es den Ingenieuren, das Design zu optimie-ren und eine zuverlässige, sichere und robuste Lösung zu entwickeln.

Solide Fertigung und TechnikDas Herzstück der SafeLink CB bilden ABB-Vakuumschaltkammern, ein Leis-tungsschalter und Antriebe vom Typ EL2. Die Schaltgeräte basieren auf den äußerst zuverlässigen Vakuumschaltkammern der VG-Reihe ➔ 2, die ebenfalls an renom-mierten Produktionsstandorten von ABB gefertigt werden ➔ 3. Die Technik der Vakuum schaltkammern bietet eine hohe dielektrische Festigkeit auf kurzen Dis-tanzen. Damit eignet sie sich hervor-ragend für den Einsatz in Mittelspan-nungsprodukten, denn die Unterbre-chung des Stromkreises ist garantiert, wenn die Trennung der Kontakte wenige Millisekunden vor dem Nulldurchgang des Stroms erfolgt. Die spezielle Geome-trie der Kontakte und die ausgewählten Materialien sowie die begrenzte Brenn-dauer und geringe Spannung des Licht-bogens sorgen für einen minimalen Kon-

1 Designoptimierung durch Simulationstools

Mit einer Bemes-sungsspannung von 12 kV, einem Maximalstrom von 630 A und einem Kurzschlussstrom von 21 kA deckt die SafeLink CB die gängigsten Anforderungen ab.

Titelbild SafeLink CB – die SF6-gasisolierte Ringkabelschalt-anlage für sekundäre Verteilnetze von ABB

20 ABB technik 1|12

verwendung am Ende der Lebensdauer zu gewährleisten. Ihre Recyclingfähigkeit liegt bei etwa 95 %.

Moduldesign und BemessungsdatenMit einer Bemessungsspannung von 12 kV, einem Maximalstrom von 630 A und einem Kurzschlussstrom von 21 kA deckt die Ringkabelschaltanlage Safe-Link CB die gängigsten Anforderungen ab. Sie eignet sich sowohl für Innen-raum- als auch für Freiluftanwendungen

und ist zurzeit in nicht erweiterbaren und erweiterbaren CVC-Konfigurationen (Kabel schalter-Vakuumleistungsschalter-Kabelschalter) sowie in erweiterbaren V- und C-Konfigurationen erhältlich.

Das C-Modul ➔ 4 ist ein Kabelschalter-modul mit integrierten Prüfpunkten. Der Dreistellungsschalter mit Trenn- und Erdungs schalter arbeitet mit SF6-Gas als Lösch- und Isoliermedium. In geöffneter Stellung erfüllt er die Anforderungen eines Trennschalters. Als Antrieb kommt ein verriegelter Einfederantrieb für die Lasttrenn- und Erdungsfunktion mit einer gemeinsamen Welle zum Einsatz. Die Fächer für die Kabelprüfdurchführungen auf der Unterseite des Behälters sind mit getrennten Abdeckungen versehen, die mit den entsprechenden Erdungsschal-tern verriegelt sind.

Das V-Modul ist ein Vakuumleistungs-schalter mit relaisbasiertem Trans for ma-torschutz. ABB-Vakuumschaltkammern vom Typ VG5 sorgen für eine zuverlässi-ge Kurzschlussstrom-Unterbrechung ➔ 5. Auf der Sammelschienen seite ist dem Leistungsschalter ein Dreistellungs-Trenn - schalter parallel geschaltet. Der Betrieb zwischen dem Vakuum leis tungs schalter und dem Trennschalter sowie zwischen dem Trennschalter und dem Erdungs-schalter ist mechanisch verriegelt. Als Betätigungsmechanismus dient ein Feder-antrieb vom Typ EL2 mit Freiauslösung und automatischer Wiedereinschaltung. Der Antrieb ist so aus gelegt, dass eine komplette Wiedereinschaltfolge (O-C-O) ausgeführt werden kann, wenn die Schließfeder nach dem Schließen des Schalters wieder gespannt wird. Der EL-Mechanismus verfügt über eine inte-grierte mechanische Antipumpfunktion, die ein Wiedereinschalten aufgrund elek-trischer oder mechani scher Befehle ver-hindert.

3 Fertigung von Vakuumschaltkammern im ABB-Werk in Ratingen, Deutschland2 Blick in eine Vakuumschaltkammer

Die SafeLink CB bietet erweiterte Sicherheitsmerk-male, ist störlicht-bogenqualifiziert und entspricht den Normen der IEC (Internationale Elektrotechnische Kommission).

21SafeLink CB Schaltanlage

Vollständige KapselungUm ein hohes Maß an Sicherheit zu gewähr leisten, ist die SafeLink CB in einem gasdichten, geschweißten Edel-stahl behälter untergebracht, der alle span nungsführenden Komponenten und Schaltgeräte enthält. Die gasisolierte Schaltanlage (GIS) ist mit SF6-Gas mit einem Bemessungsfülldruck von 1,2 bar (absolut) gefüllt. Elektrische und mecha-nische Durchführungen im Behälter sind durch Schraubklemmverbindungen und hochwertige O-Ringe abgedichtet. Der nach höchsten Standards konstruierte und von ABB-Schweißrobotern gefertig-te Edelstahlbehälter ist in der Schutzart IP67 ausgeführt und gilt als hermetisch abgeschlossenes Drucksystem gemäß IEC-Norm. Mit einer Leckrate von weni-ger als 0,1 % pro Jahr ist der Behälter über die gesamte spezifizierte Lebens-dauer der Ausrüstung hinweg praktisch wartungsfrei.

MerkmaleAufgrund ihrer Größe und Kabelan-schlüsse ist die SafeLink CB kompatibel mit Anlagen, die eine Kabeleinführung von der Seite oder von hinten erfordern.

Trotz ihrer kompakten Ausführung und des Gasfülldrucks erreicht die Anlage die Bemessungs-Steh-Blitzstoßspannung für eine Nennspannung von 17,5 kV (d. h. 38 kV/95 kVp).

Der Leistungsschalter mit EL2-Feder-antrieb eignet sich für eine hohe Zahl von mechanischen Schaltspielen, darun-ter bis zu 5.000 Einschalt-Ausschalt-Spiele.

Die SafeLink CB bietet erweiterte Sicher-heitsmerkmale, ist störlichtbogenqualifi-ziert und entspricht den Normen der IEC (Internationale Elektrotechnische Kom-mission). Sämtliche Mechanismen und Kabelräume sind mit Sicherheitsverrie-gelungen versehen, die den Zugang zur Ausrüstung beschränken und somit die Personensicherheit erhöhen. Das kom-plette Gehäuse ist in der Schutzart IP54 ausgeführt. Das lichtbogenfeste Design der Kabelräume trägt ebenfalls zur Personen sicherheit bei.

In der erweiterbaren Version bietet die SafeLink CB die einzigartige Möglichkeit für eine werksseitige Sammelschienen-erweiterung oder eine zukünftige Erwei-terung der Ringkabelschaltanlage.

Komplette Automatisierungslösungen ein-schließlich Antriebsmotorisierung, Fern-steuerung und -überwachung sind eben-so erhältlich wie Smart-Grid-Lösungen für Energieversorgungsanlagen, flexible Sammelschienenerweiterungen und eine breite Palette von Zubehör.

Die Ringkern-Stromwandler für das Vakuum leistungsschaltermodul sind an den abzweigseitigen Kabeldurchführun-gen montiert. Die SafeLink CB verfügt über ein wandlergespeistes Relais, das im Fehlerfall die Energie vom Strom-wandler für die Auslösespule nutzt. Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle ermög-licht die Konfiguration von Schutzkon-zepten.

Pravin Futane

Subbiah Thevar Dukkaiappan

V. Ramesh

ABB Ltd, Medium Voltage Products

Nashik, Indien

pravin.a.futane@in.abb.com

subbiahthever.dukkaiappan@in.abb.com

v.ramesh@in.abb.com

Gerhard Salge

ABB AG, Medium Voltage Products

Ratingen, Deutschland

gerhard.salge@de.abb.com

4 Aufbau des C-Moduls der SafeLink CB 5 Vakuum-Leistungsschalter mit Trennschalter-Behälter Die SafeLink CB ist

in einem gasdich-ten, geschweißten Edelstahlbehälter untergebracht, der alle spannungs-führenden Teile und Schaltgeräte enthält.

Das flexible Designkonzept der SafeLink CB deckt eine Vielzahl von Anwendungs-anforderungen von einfachen Anlagen bis hin zu komplexen Systemen ab. Die SafeLink CB ist wartungsfrei, robust, zuverläs sig und sicher und bietet viele wichtige technische Vorteile. Neben der kompakten Größe machen die einfache Installation und das einfache Design die SafeLink CB zu einer äußerst wett-bewerbsfähigen Lösung für sekundäre Verteilnetze.

22 ABB technik 1|12

BRETT ALExANDER, DUNCAN ROBBIE, MARCUS MARENGHI, MICHELLE

KIENER – ABB hat eine patentierte Technologie zur Wiederaufberei-tung von verunreinigtem Schwefelhexafluoridgas (SF6) mithilfe eines neuen, energieeffizienten kryogenischen Verfahrens entwickelt. Zum Einsatz kommt diese Technik im neu eröffneten SF6-Recycling-zentrum von ABB im australischen Sydney. Das mit dem neu entwickelten Verfahren gereinigte SF6-Gas besitzt eine Reinheit von ca. 99,99 %, was dem technischen Reinheitsgrad gemäß IEC 60376 (die Norm für neues Gas) entspricht. Auf diese Weise kann SF6 stets wiederverwendet werden, was zu einer Reduzierung des CO2-Aus-stoßes beiträgt und Kosteneinsparungen von bis zu 30 % ermög-licht.

ABB eröffnet das erste SF6-Recyclingzentrum der Welt

Innovatives SF6-Recycling

23Innovatives SF6-Recycling

ABB hat viele Jahre lang an einer Mög-lichkeit zum Recyc-ling von SF6 aus elektrischen Schaltanlagen und Leistungsschaltern geforscht.

mit erheblichen Herausforderungen ver-bunden ist, bleibt es dennoch ein äußerst vorteilhaftes, nützliches und wertvolles Produkt, das möglichst erhalten werden sollte. Dies macht das Lebenszyklusma-nagement von SF6 zu einer schwierigen Auf gabe für Nutzer in der Elektrizitäts-wirtschaft und der Industrie.

Entwicklung der neuen SF6-RecyclinganlageAusgehend von ökologischen Gesichts-punkten und dem Ziel, ihren Kunden Komplettlösungen zu bieten, hat ABB viele Jahre lang an einer Möglichkeit zum Recyc-ling von SF6 aus elektrischen Schaltanlagen

installiert werden. GIS sind zudem wider-standsfähiger gegen raue Betriebsbedin-gungen und bieten daher auf lange Sicht eine höhere Betriebszuverlässigkeit.

Trotz der Vorteile von SF6 ist seine Ver-wendung nicht ganz einfach. Auch ist die vorschriftsgemäße Handhabung von SF6 mit erheblichen Kosten verbunden, insbe-sondere bei der Außerbetriebnahme alter Schaltanlagen. Laut dem zwischen-staatlichen Aus-schuss für Klima-änderungen IPCC besitzt SF6 ein um 22.800-mal höhe-res Treibhauspoten-zial als CO2 (vergli-chen über einen Zeitraum von 100 Jahren) und ist damit das wirksamste aller unter-suchten Treibhausgase [1]. In Europa unterliegt der Einsatz von SF6 seit Januar 2008 in allen Anwendungsbereichen ein-schließlich Schaltanlagen strengen Auf-lagen [2]. Obwohl die Nutzung von SF6

Schwefelhexafluorid (SF6) ist ein in der Elektrotechnik weit ver-breitetes Inertgas, das zur dielektrischen Isolierung und

Stromunterbrechung in Leistungsschal-tern, Schaltanlagen und anderen elektri-schen Betriebsmitteln verwendet wird. Ein Vorteil von SF6 ist, dass es im Ver-gleich zu anderen Isoliermedien die Übertragung höherer Leistungen in kom-pakteren Anlagen ermöglicht. Dies spielt besonders bei Unterstationen in Städten oder Offshore-Windparks eine wichtige Rolle. Gasisolierte Schaltanlagen (GIS), in denen unter Druck stehendes SF6 für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb sorgt, sind mit der Zeit immer kompakter und gleichzeitig leistungsfähiger gewor-den. Da SF6 eine wesentlich höhere Durchschlagfestigkeit besitzt als Luft oder trockener Stickstoff, kann die Aus-rüstung erheblich kompakter gebaut und unter beengten Platzverhältnissen

Das mit dem neu entwickelten Verfahren gereinigte SF6-Gas besitzt eine Reinheit von ca. 99,99 %. So kann SF6 stets wiederverwendet werden.

Titelbild Das ABB SF6-Recyclingzentrum in Sydney, Australien

24 ABB technik 1|12

Der Schwerpunkt bei der Inbetriebnahme der Anlage lag auf den Rohrleitungen, der Elektrik, der Software und den Leitsyste-men. Da viele der verwendeten Methoden zur Steuerung des Prozesses und der Druckbehälter für die kryogenische Ab-scheidung erstmalig entwickelt wurden, entschied man sich für eine konservative Herangehensweise. So wurden die einzel-nen Prozesse zunächst mit Stickstoff, dann mit CO2 und schließlich umfassend mit SF6 getestet. Diese Tests ermöglichten eine Feinabstimmung der Modelle für die Prozessparameter und zeigten, dass die Technik in der Lage ist, Verunreinigungen aus SF6-Gas abzuscheiden.Das Endergebnis wurde in eine vollwertige Prototypanlage umgesetzt, die in der Lage ist, SF6 mit einem beliebigen Verunreini-gungsgrad auf den technischen Reinheits-grad von neuem SF6 aufzubereiten ➔ 1, 2.

Positive ErgebnisseDer mittlerweile aufgenommene SF6-Gas-managementbetrieb auf der Grundlage des neu entwickelten Recyclingverfahrens liefert sowohl im technischen und kommerziellen Bereich als auch im Hinblick auf die Sicher-heit und Umwelt positive Ergebnisse.

Der größte technische Vorteil des neuen Verfahrens im Vergleich zu vorhandener Technik ist, dass das SF6 unabhängig von der Art und dem Grad der Verunreinigung aufbereitet werden kann. Keines der beste-henden Verfahren ist in der Lage, alle Ver-unreinigungen und Verunreinigungsgrade in nur einem Prozess zu behandeln. Darüber hinaus ermöglicht der hohe Automatisie-rungsgrad des neuen Prozesses einen

Fremdstoffen wie Wasser, verschiedenen Säuren, toxischen Nebenprodukten und Öl.Danach folgte eine Validierung des Prozess - entwurfs mithilfe arithmetischer Modelle, während die Machbarkeit der mechani-schen Fertigung mit den Lieferanten ge-klärt wurde. An dieser Stelle zeigte sich die iterative Eigenschaft des Prozesses, als deutlich wurde, welche Auswirkungen die Wahl der Ausrüstung auf andere Kompo-nenten hatte. So erforderten die nahezu

vollständig neuartigen Behälter für die kryogenische Abscheidung einen engen Dialog mit dem Hersteller, da es noch keine Referenzkonstruk tionen oder -bei-spiele gab. Beim Detailentwurf bildeten die logischen Prozessschritte die Grundlage für das automatisierte SPS-Programm und das Prozesssteuerungskonzept.Zwei HAZOP/PAAG-Studien lieferten dem erweiterten Team zusätzliches Wissen über den Prozess und sorgten für eine Verbes-serung der Operabilität der Anlage.

und Leistungsschaltern geforscht. Zu-nächst wurde ein manuelles kryogenisches Verfahren zur Reinigung von SF6 entwickelt, das jedoch mit gewissen Einschränkungen verbunden war. Diese bezogen sich vor allem auf die Reproduzierbarkeit der Pro-duktqualität und die Sicherheit im Hinblick auf den Kontakt des Bedienpersonals mit flüssigem Stickstoff.

Daraufhin wurde ein neues Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur Entwicklung eines sichereren, besser kontrollierbaren und weitgehend automatisierten Verfah-rens ins Leben gerufen, das schließlich zum Bau der ersten vollautomatischen kryogenischen SF6-Reinigungsanlage der Welt führte. Das gesamte Projekt stellt eine Innovation für sich dar, die unter anderem folgende Neuerungen beinhaltet:– eine neuartige Gasabscheidekammer,

in der SF6 unter kryogenischen Bedingungen eingefroren wird,

– ein automatisiertes Prozessleitsystem, das für ausgeglichene Mengenverhält-nisse im System sorgt und Leckagen verhindert.

Bei der Entwicklung dieser Innovationen wurden rigorose iterative Designmethoden angewandt. Der erste Schritt bestand in der Auswahl eines Prozesses unter Berück-sichtigung der Vor- und Nachteile sowie seiner Eignung im Hinblick auf die kons- truktiven Einschränkungen. Dies führte zu einem neuen Prozess mit einem kryogeni-schen Schritt zur Abscheidung nicht kon-densierbarer Gase (vorrangig Stickstoff) aus dem gebrauchten SF6-Gas sowie einem Filterungsprozess zur Entfernung von

1 Vollwertiger Prototyp der SF6-Recyclinganlage

Das Ergebnis des neuen Forschungs- und Entwicklungs-projekts ist die erste vollautomatische kryogenische SF6-Reinigungsanlage der Welt.

25Innovatives SF6-Recycling

tierten Recyclingtechnik auf einen techni-schen Reinheitsgrad aufzubereiten.Der Prozess ist so angelegt, dass zu kei-nem Zeitpunkt SF6 verloren geht. Spezielle Messtechnik in Verbindung mit einem auto-matisierten Prozessleitsystem sorgt dafür, dass mögliche Leckagen aufgrund von menschlichen oder technischen Fehlern erkannt und verhindert werden.Aus Sicherheitsgründen sind alle Prozesse der Anlage gekapselt, um den Kontakt von Menschen mit SF6 oder flüssigem Stick-stoff zu verhindern. Die Entnahme anderer, nicht gasförmiger Fremdstoffe erfolgt mithilfe von Feststoff-Absorptionsmitteln in abnehmbaren Hochdruckgehäusen, durch die das SF6 strömt. Die auf diese Weise sicher konzentrierten und eingeschlosse-nen festen Abfallprodukte können ohne Kontakt zu Menschen oder zur Umwelt entsorgt werden. Außerdem wird die Recyclinganlage nahezu vollständig auto-matisch betrieben, um die Gefahr von Bedienerfehlern zu reduzieren und eine maximale Sicherheit zu gewährleisten.Die Komplettlösung von ABB hilft Unter-nehmen dabei, ihren ökologischen Fußab-druck zu reduzieren und die Kosten für das Management ihrer SF6-Bestände zu sen-ken. Im Rahmen des neuen Serviceange-bots wird das verunreinigte SF6-Gas auf einen technischen Reinheitsgrad (gemäß IEC 60376) für die Wiederverwendung auf-bereitet. So kann der Produktlebenszyklus von SF6 geschlossen und auf eine ener-gieintensive Verbrennung verzichtet wer-den. Außerdem bietet das Verfahren Ener-gieversorgungsunternehmen eine prakti-kable Möglichkeit zur Reduzierung ihrer Bestände an verunreinigtem SF6 ➔ 3.

erheblich höheren Durchsatz und eine höhere Energieeffizienz. Auch wenn SF6 für seine guten Eigenschaften als Isoliermittel und Löschmedium für Lichtbögen ge-schätzt wird, kann die Qualität des Gases mit der Zeit abnehmen. Dies gilt beson-ders, wenn mit der Ausrüstung regelmäßi-ge Schaltvorgänge vorgenommen werden. Eine geringere Gasqualität wirkt sich wieder-um negativ auf die oben genannten Eigen-schaften aus, was die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Ausrüstung beeinträch-tigt. Eine Prüfung der Gasqualität in der Ausrüstung im Rahmen einer präventiven Wartung kann zur Verlängerung der Lebensdauer des Produkts beitragen.Die qualifizierten und akkreditierten Techni-ker von ABB sind für eine sichere Analyse und eine sichere Handhabung von vorhan-denen Gasbeständen ausgerüstet. Dazu gehört auch die Durchführung von Prüfun-gen der Gasqualität und -menge. Durch Prüfung der Gasqualität kann sichergestellt werden, dass die Reinheit des Gases in der Ausrüstung die Mindestanforderungen für einen sicheren Betrieb erfüllt. Als führender Hersteller von gasisolierten Anlagen, für den Sicherheit eine zentrale Rolle spielt, besitzt ABB umfangreiche Erfahrungen im sicheren Umgang mit SF6. Es kann vorkommen, dass Kunden über nicht mehr benötigte, nicht spezifikations-gerechte oder verunreinigte Bestände an SF6-Gas verfügen, weil eine Entsorgung zu teuer oder schlicht nicht möglich ist. Da ABB bestrebt ist, ihre Kunden bei der Reduzierung ihrer Umweltauswirkungen zu unterstützen, nimmt das ABB-Recycling-zentrum SF6 in jeder Menge und Qualität entgegen, um es mithilfe der neuen paten-

2 Von ABB aufbereitetes SF6-Gas entspricht der IEC 60376.

Brett Alexander

Duncan Robbie

Marcus Marenghi

ABB Power Products

Moorebank, Australien

brett.alexander@au.abb.com

duncan.robbie@au.abb.com

marcus.marenghi@au.abb.com

Michelle Kiener

ABB Review

Zürich, Schweiz

michelle.kiener@ch.abb.com

Literaturhinweise[1] Intergovernmental Panel on Climate Change,

Working Group 1, Climate Change 2007, Kapitel 2.10.2.

[2] Climate: MEPs give F-gas bill a „green boost“. http://www.euractiv.com/sustainability/climate-meps-give-gas-bill-green-boost/article-145749. Stand: 15. Februar 2012

Die technischen, sicherheitsbezogenen, kommerziellen und ökologischen Vorteile der neuen Recyclingtechnik liegen auf der Hand. Das neue Recyclingzentrum liefert die Antwort auf ein Problem, für das es bislang keine wirtschaftliche oder umwelt-freundliche Lösung gab. Indem sie den SF6-Produktlebenszyklus schließt, unter-streicht die neue Technik die Vorteile von GIS, ohne die bisherigen Vorteile dieser wichtigen Komponenten hinsichtlich Sicherheit und Zuverlässigkeit zu mindern. Damit profitieren die Nutzer von GIS nicht nur von kompakteren Anlagen, sondern auch von einem reduzierten ökologischen Fußabdruck.

3 ABB SF6-Lebenszyklus

SF6

SF6-Nutzung in elektrischen Betriebsmitteln

Lieferung von SF6 mit technischem Reinheitsgrad

an den Kunden

Transport des gebrauchten SF6 zum ABB-Recycling-

zentrum

Wiederverwendung von SF6

Entnahme von kontaminier-tem gebrauchten oder

unerwünschten SF6

Qualitätsprüfung gemäß IEC 60376

Prüfung und Entfernung von gefährlichen Nebenprodukten

Recycling mithilfe patentierter ABB-Technik

26 ABB technik 1|12

27Ausfallzeiten verhindern

bereich, womit sich das System auch für große industrielle Prozesse eignet. Als Energiespeichermedium können moderne Ultrakondensatormodule oder Blei-Säure-Batterien eingesetzt werden.

Was ist so revolutionär am UPS-I?Die drei Hauptinnovationen des UPS-I sind:– Hoher Wirkungsgrad– Schnelle Netzabschaltung– Revolutionärer Energiespeicher

Hoher Wirkungsgrad

Sämtliche Modelle des ABB UPS-I für Spannungen von 380 bis 480 V besitzen einen Wirkungsgrad von über 99 %. Bei den Modellen für 208 und 200 V liegt der Wirkungsgrad bei über 98 %.

D er UPS-I von ABB ist ein Line-Interactive-USV-System (Unter-brechungsfreie Stromversor-gung), das industrielle Verbrau-

cher vor Stromausfällen und starken Span-nungsstörungen schützt. Solche Störun-gen können durch Fehler im elektrischen Netz und – was häufiger vorkommt – durch Wetterereignisse wie Blitzschläge verur-sacht werden.

Der UPS-I eignet sich besonders zur Über-brückung von Wiedereinschaltvorgängen, starken Spannungseinbrüchen (sog. Dips) oder -erhöhungen und unterstützt kritische Verbraucher, bis die Netzversorgung mit der erforderlichen Qualität wiederherge-stellt oder ein Notstromgenerator hochge-fahren ist. Die Länge der Pufferzeit hängt dabei von den Leistungsanforderungen des Verbrauchers und der Kapazität des Speichersystems ab. Die UPS-I-Palette umfasst Modelle mit Bemessungsleistun-gen bis 2,4 MVA im Niederspannungs-

SOPHIE BENSON-WARNER – In einer industriellen Welt, in der bereits Stromausfälle von wenigen Minuten Dauer erhebliche Kosten verursachen, ist es wichtig, die Versorgung von Maschinen bei instabilen Netzzuständen sicherzustellen. Das Offline-USV-System PCS100 UPS-I (Industrial Uninterruptable Power Supply) von ABB gewinnt zunehmend Marktanteile als leistungsfähige Schutzlösung, die in der Lage ist, Investitionskosten gering zu halten und gleichzeitig herkömmliche Systeme im andauernden Kampf um die Steigerung von Produktausbeute und Produktivität und die Reduzierung von Ausfallzeiten zu schlagen.

Sicherung der Stromversorgung bei Netzinstabilitäten

Ausfallzeiten verhindern

Titelbild Kommt eine Anlage zur Fertigung von Halbleiterchips – oder wichtige Teile davon – zum Stillstand, kann dies erhebliche finanzielle Verluste zur Folge haben. Der ABB UPS-I sorgt für eine sichere Versorgung kritischer Maschinen bei Instabilitäten in der Netzversorgung.

28 ABB technik 1|12

Revolutionärer Energiespeicher

Das UPS-I-Produkt ist mit Batterie- und Ultrakondensatorspeicher erhältlich ➔ 2.

Der UPS-I ist für den Betrieb mit moder- nen niederohmigen Blei-Säure-Batterien in Spiralzellenausführung ausgelegt, die sich durch eine sehr hohe Energiedichte und kompakte Ausmaße auszeichnen. So sind für ein System mit 2,4 MVA und einer Puf-ferzeit von 30 s nur acht Batteriefächer mit einer Größe von je 800 mm² erforderlich.Die Ultrakondensatoroption eignet sich ideal für Anwendungen, in denen es auf eine hohe Zuverlässigkeit ankommt und eine kurzzeitige Pufferzeit (typischerweise 3 s) ausreicht. Ultrakondensatoren zeich-nen sich durch eine außergewöhnlich nied-rige Impedanz aus, was eine noch höhere Energiedichte und kompaktere Abmes-sungen bedeutet. Die Lebensdauer liegt bei 15 Jahren, und für ein System mit 2,4 MVA werden nur vier Batteriefächer zu je 800 mm² benötigt.

RedundanzDer UPS-I verfügt über eine Reihe redun-danter modularer Wechselrichter, die einen Betrieb mit reduzierter Leistung ermög-lichen, wenn bis zu 50 % der Module nicht verfügbar sind. Die Redundanz der Wech-selrichter und die sehr kurze Zeit, die zum Austausch eines defekten Moduls erfor-derlich ist, sorgen zusammen für eine äußerst hohe Systemverfügbarkeit.

Anschaffungs- und BetriebskostenDer UPS-I benötigt normalerweise weniger als ein Viertel des Platzes, den ein her-kömmliches USV-System einnimmt. Dies führt zu erheblichen Einsparungen bei den Anfangskosten, die sich über die gesamte Lebensdauer des Systems fortsetzen. Außer dem benötigt es im Vergleich zu

Bei den Modellen für 380 bis 480 V beträgt der Wirkungs grad über 99 %, bei den Modellen für 208 und 200 V liegt er bei über 98 %.

Dies ist revolutionär in der Branche, wenn man bedenkt, dass bisherige Lösungen bei voller Last typischerweise einen Wir-kungsgrad von 92 bis 95 % erreichen, der mit der Last abnimmt. Der UPS-I weist einen minimalen Wirkungsgradabfall bis 25 % der Last auf.Der hohe Wirkungsgrad des UPS-I ist im „Offline-Design“ des Systems begründet. Im normalen Betrieb sind die Wechselrich-ter und der Koppeltransformator betriebs-bereit, führen aber keinen Laststrom. Die einzige den Laststrom führende Kompo-nente ist die elektronische Netzabschal-tung (Utility Disconnect) in Form eines hocheffizienten steuerbaren Gleichrichter-schalters (SCR). Bei der herkömmlichen Doppelwandler-Technik wird der gesamte Laststrom vom Gleichrichter und Wechsel-richter geführt und umgewandelt, was er-hebliche Auswirkungen auf den Wirkungs-grad hat. Die Entwicklung des UPS-I sah von Anfang an eine Überwindung traditio-neller Konzepte mit dem Ziel vor, den Wirkungs grad zu maximieren.

Schnelle Netzabschaltung

Bei Netzqualitätsproblemen trennen steuer-bare Siliziumgleichrichter (SCR) die Last vom Netz. Eine bekannte Eigenschaft dieser robusten Hochleistungs-Halbleiter-schalter ist, dass eine Abschaltung der Gate-Steuerspannung nicht immer aus-reicht, um das Element abzuschalten, da der Strom im Element auf null gesenkt werden muss. Wird ein Netzqualitäts-problem erkannt, speist der UPS-I mithilfe der Wechselrichter einen entsprechenden Strom ein, um die SCRs zu kommutieren und den Strom auf null zu reduzieren.

1 Prinzipschaltbild des UPS-I

Eingang

Netz-abschaltung

Batterie (optional)

Ultra-kondensator

Wechselrichter

Koppel-transformator

UPS-IAusgang

2 Erhöhung der Kapazität

Obwohl die ersten Ultrakondensatoren (auch Superkondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren genannt) bereits 1957 entwickelt wurden, dauerte es noch 20 Jahre, bis die Technik in nennenswertem Maße kommer-zialisiert wurde. Tatsächlich geriet die zugrunde liegende Wissenschaft zwischenzeitlich fast in Vergessenheit und wurde „wiederentdeckt“. Mitte der 1990er Jahre führten Fortschritte auf dem Gebiet der Werkstoffe und die Verbesserung der vorhandenen Systeme zu einer Steigerung der Leistungs-fähigkeit und Reduzierung der Kosten.

Damit konnten Ultrakondensatoren in bestimmten Anwendungen mit vor- handenen Technologien wie Elektrolytkondensatoren, Schwungrädern und Batterien konkurrieren. Die im UPS-I verwendeten Batterien sind eine Verbesserung vorhandener Technik. Ihr spezielles Spiralzellendesign sorgt für einen sehr geringen Zellwiderstand, womit sie für kurze Zeit sehr hohe Ströme liefern können und sich daher ideal für kurzzeitige Speicheraufgaben eignen.

29Ausfallzeiten verhindern

rie und in Hochgeschwindigkeits-Ver-packungsanwendungen zum Einsatz.Über siebzig 1.500-kVA-Systeme wurden allein für die Halbleiterindustrie in Asien bereit gestellt. In Europa findet der UPS-I vermehrt in Rechenzentren und in der all-gemeinen Industrie Anwendung.Der UPS-I wird aufgrund seiner Leistungs-fähigkeit besonders in der Halbleiterindus-trie geschätzt und hat schon vielen der weltweit größten Speicher- und Flachbild-schirmhersteller dabei geholfen, eine kon-tinuierliche Stromversorgung und hohe Zuverlässigkeit mit minimaler Umweltbe-lastung sicherzustellen.Die Stärken des Produkts liegen in seinem Wirkungsgrad, seiner Zuverlässigkeit, Lebens dauer, Kompaktheit und hohen Leistung in einem einzigen USV-System (bis 2,4 MW). Die Vorteile für den Kunden sind: Schutz gegen kurzzeitige Strom-ausfälle und tiefe Spannungseinbrüche, Reserve versorgung bis zum Hochfahren von Notstromgeneratoren nach einem Netzausfall und ungestörter Weiterbetrieb von wichtigen Verbrauchern bei gängigen Versorgungsproblemen. Das Ergebnis sind eine höhere Ausbeute, weniger Ausschuss und eine höhere Produktivität.

Mehr über den ABB PCS100 UPS-I lesen Sie im Artikel „Sicher versorgt“ auf Seite 30 dieses Hefts.

UPS-I mit dem Netz und wartet noch 100 ms, um sicherzustellen, dass die Netz-spannung stabil ist, bevor er wieder in den normalen Betrieb umschaltet. Dann sorgt das System für ein schnelles Wiederauf-laden der Speichermedien, um sicherzu-stellen, dass bei der nächsten Störung die maximale Pufferzeit zur Ver fügung steht.

Der UPS-I im EinsatzWelchen Mehrwert die innovativen Merk-male des UPS-I ➔ 2 bieten, zeigt ein Pro-jekt zur Stabilisierung der Stromversorgung für einen der größten und renommiertesten Hersteller von Halbleiterprodukten in Malay-sia. Als Hightech-Unternehmen nutzt der Kunde modernste Anlagen und Systeme, die sehr empfindlich auf Insta bilitäten in der Stromversorgung rea gie ren. In der Ver-gangenheit hatte das Unter nehmen stän-dig mit Produktionsverlusten und Umsatz-einbußen durch Stromschwankungen zu kämpfen. Hierbei können die Verluste ebenso hoch sein wie die Kosten für die Wiederaufnahme des Betriebs, und die Verschrottung beschädigter Produkte kann mehrere Millionen Dollar kosten. Insgesamt wurden sechs UPS-I-Einheiten mit 900 kVA geliefert und installiert, die die Spannungs-störungen erfolgreich beseitigten und seit-dem für einen störungsfreien Produktions-prozess sorgen.Eine Vielzahl vergleichbarer UPS-I-Projekte wurde für Kunden in Südkorea, der Schweiz und den USA durchgeführt. Der Prototyp des Systems wurde im Jahr 2008 installiert, und die erste Lieferung mit vier 300-kVA-Einheiten ging 2009 nach Süd-korea. Das Produkt kommt bei der Kohle-faserherstellung in der Luft- und Raum-fahrtindustrie, in Rechenzentren, bei der Kabelherstellung, in Halbleiterfabriken, in der Nahrungsmittel- und Getränkeindust-

einem herkömmlichen System nur ein Achtel der Klimatisierung, was zu einer eheblichen Reduzierung der Treibhaus-gasemissionen beiträgt.

Funktionsbeispiel➔ 1 zeigt die Funktionsweise des Systems bei einem Stromausfall mit kurzer Dauer. Der UPS-I erkennt das Ereignis, indem er alle 125 μs die Eingangsspannung abfragt und das Ergebnis mit den erwarteten Vek-toren der Netzspannung vergleicht. Die Entscheidung zur Umschaltung auf den Speicherbetrieb basiert auf zwei Schwellen-werten: Ermittlung der Effektivspannung und Erkennung von schnellen Spannungs-transienten. Auf diese Weise ist eine schnel-le Erkennung gewährleistet, und Fehlaus-lösungen werden minimiert. Bei Erken nung des Ereignisses trennt der UPS-I die Netz-

verbindung durch schnelles Öffnen eines mit dem Verbraucher in Reihe geschalteten Halbleiterschalters und versorgt den Ver-braucher aus dem Speichermedium (Ultra-kondensator oder Batterie). Diese Netz-abschaltung und Umschaltung in den Speicherbetrieb erfolgt normalerweise in-nerhalb von 2 bis 4 ms. Da dies weniger als einem Viertel der Netzperiode entspricht, kommt es zu keiner Störung der Last. Liegt die Netzversorgung wieder innerhalb der Spezifikationen, resynchronisiert sich der

Sophie Benson-Warner

ABB Discrete Automation and Motion,

LV Power Converter Products

Napier, Neuseeland

sophie.benson-warner@nz.abb.com

Der ABB PCS100 UPS-I schützt industrielle Verbrau-cher vor Stromaus-fällen und starken Spannungsstörun-gen durch Netz-fehler und Wetter-ereignisse.

Mit seinen Vorteilen ist der UPS-I ande-ren auf dem Markt erhältlichen Pro-dukten überlegen.

3 Stromausfall mit kurzer Dauer

Stromversorgung durch den UPS-I

Stromversorgung vor dem UPS-I

UPS-I

Stromversorgung nach dem UPS-I

30 ABB technik 1|12

RALPH HOFFMANN – Die Industrieautomatisierung hat einen sehr hohen Technisierungsgrad erreicht. Anlagen wie Automobilwerke, Chemiewerke und Halbleiterfabriken arbeiten mittlerweile mit hochentwickelter Technik, die eine robuste und unterbrechungs-freie Stromversorgung erfordert. Doch im öffentlichen Stromnetz kann es immer zu unvorhersehbaren und unregelmäßigen Schwan-kungen und Unterbrechungen kommen. Um industriellen Verbrau-chern auch bei größeren Störungen im Netz eine solide, saubere und unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherzustellen, hat ABB die Produktreihen PCS100 AVC und PCS100 UPS-I entwickelt.

Zuverlässiger Spannungsschutz empfindlicher Verbraucher

Sicher versorgt

31Sicher versorgt

gungen und Versorgungsunterbrechun-gen. Spannungseinbrüche (auch Sags oder Dips genannt) sind durch Span-nungsamplituden von unter 90 % der Nennspannung gekennzeichnet und stel-len die am häufigsten auftretende Netz-qualitätsproblematik dar. Ein Spannungs-einbruch bedeutet eine Reduktion der Effektivspannung und ist mit einer be-stimmten Spannungswellenform verbun-den. Gekennzeichnet wird er durch seine Dauer und die Restspannung ➔ 1.

Die Ursache für Spannungseinbrüche sind vor allem atmosphärische Störun-gen wie Blitze und Gewitter, aber auch Fehler oder Schalt-handlungen im Netz können zu kurzzei-tigen Spannungs-einbrüchen führen. Laut Statistiken des EPRI (Electric Po-wer Research Institute) weisen mehr als 92 % aller Spannungseinbrüche eine Einbruch tiefe von 10 bis 30 % auf und dauern weniger als 1 s. Die Einbruchtiefe und -dauer hängen wiederum von vielen Faktoren wie den lokalen Netzgegeben-heiten (Vermaschung, Impedanzen und Erdung), der Spannungsebene des auf-tretenden Fehlers, der Distanz des Feh-lers, den Lasten sowie von deren Verhal-ten bei Unterspannung ab.

Zu den möglichen Folgen für Industrie-unternehmen gehören Personenschä-den, Materialausschuss, lange Wieder-anlaufzeiten, Maschinenstörungen oder -defekte, aufwändige Reparaturen oder

A ngesichts des steigenden Auto matisierungsgrads in der Industrie sind die in der DIN EN 50160 [1] definierten Qua-

litätsmerkmale für Versorgungsspannun-gen auf Basis einer europäischen Min-destanforderung für moderne Anlagen nicht mehr optimal. Für die Industrie stellt dies ein massives Problem dar, da das Produktionsequipment immer sen-sibler und anfälliger gegen Abweichun-gen und Unterschreitung dieser Mindest-anforderung wird.

Probleme in elektrischen NetzenIn einem elektrischen Netz können ver-schiedene Spannungsprobleme auftre-ten. Dazu gehören unter anderem tran-siente Überspannungen, Spannungsein- brüche, Flicker (periodisch auftretende Spannungsschwankungen), Spannungs-unsymmetrien, Spannungsoberschwin-

Titelbild Wie bekämpft man einen Einbruch der Netzspan-nung von 30 % oder einen Spannungsabfall von 30 s? Die Antwort: mit dem aktiven Spannungs-regler PCS100 AVC und der unterbrechungsfreien Stromversorgung PCS100 UPS-I, zwei Produkten aus dem Netzqualitäts-Portfolio von ABB, das insgesamt sechs verschiedene Produkte zur Behandlung von Frequenz-, Spannungs-, Blind - leistungs- bzw. Blindstrom- und Netzqualitäts-problemen umfasst.

Wartungen, teure Serviceeinsätze, nied-rigere Produktionsqualitäten, Umsatzver-luste oder Vertragsstrafen. Vor allem bei den kontinuierlich produzierenden Indus-trien wie der Halbleiter-, Automobil- oder chemischen Industrie können sich die Kosten pro Ereignis schnell auf mehrere Hunderttausend Euro summieren.

Fragen zum VersorgungsschutzDer entscheidende Faktor für die Be-stimmung des erforderlichen Schutzes ist die Empfindlichkeit der Verbraucher. Einige Institutionen wie das Information Technology Industry Council und Doku-

mente wie die Semi F47 [3] oder die IEC/TR 61000-Reihe [4] definieren Span-nungsimmunitäten für elektrische Geräte und Betriebsmittel. ➔ 2 zeigt Spannungs-einbrüche über einen Zeitraum von zehn Jahren in einer Halbleiterfabrik sowie die Spannungsimmunitäten für Produktions-equipment für die drei genannten Indus-trie standards.

Es zeigt sich, dass die Anforderungen zwischen den Industrien abweichen und dass im konkreten Fall die Spannungs-einbrüche tiefer sind als die definier- ten Standards. Die einfachste Lösung scheint eine Anhebung der Standards für die einzelnen Verbraucher zu sein.

Die fortschrittliche Technik in vielen heutigen Fabriken erfor-dert eine solide und unterbre-chungsfreie Stromversorgung.

1 Typische Dauer und Restspannung von verschiedenen Spannungsproblemen [2]

U/U

N (%

)

Zeit (s)

1

10

100

1000

Spannungseinbrüche (Dips)

Versorgungsunterbrechungen

Kommutierungseinbrüche (lokales Problem)

Spannungsschwankungen (Flicker)

Transiente Überspannungen (lokales Problem)

Spannungsunsymmetrie und Oberschwingungen (nicht dargestellt)

0,01 0,1 1 10 1000,001 1000

32 ABB technik 1|12

Verbraucher vor Spannungsproblemen wie den oben beschriebenen.

Der aktive Spannungsregler PCS100 AVC schützt empfindliche industrielle Anlagen und Verbraucher vor Span-nungsschwankungen und -einbrüchen mit einer Tiefe von bis zu 30 % und einer Dauer von bis zu 30 s durch Einkopplung einer Korrekturspannung. Das Offline-USV-System PCS100 UPS-I schützt Pro-zesse vor Stillständen, indem es z. B. die Zeit überbrückt, die zum Hochfahren von Dieselgeneratoren benötigt wird. Es ist

mit wartungsarmen Hochleistungskon-densatoren und -batterien ausgerüstet und bietet wirksamen Schutz vor tiefen Spannungseinbrüchen oder Energieaus-fällen mit einer Dauer von bis zu 30 s.

Die beiden ABB-Versorgungsschutzpro-dukte sind in Halbleiterfabriken ebenso wie in Wafer-Fabriken für Photovoltaik-anwendungen, in Automobilprozessen und vielen anderen Anwendungen in der globalen Prozessindustrie im Einsatz.

PCS100 AVC: Schutz gegen SpannungsschwankungenDer PCS100 AVC ➔ 3 besteht aus zwei Umrichterstufen, die nicht in den Strom-

pfad zwischen dem Verbraucher und dem Energieversorger geschaltet sind. Die Korrekturspannungseinkopplung er-folgt vielmehr mittels einer Transforma-torwicklung zwischen dem Versorger und der kritischen Last ➔ 4. Dieser Auf-bau reduziert das Risiko negativer Aus-wirkungen auf den Verbraucher.

Außerdem enthält der PCS100 AVC ein redundantes Bypass-System, das das aktive Spannungsreglersystem bei einem theoretischen internen Fehler vom Kun-dennetz trennt. Das Bypass-System dieser Plattform hat in mehr als zwölf Jahren Anlagenbetrieb und bei über 450 MVA installierter Leistung nie ver-sagt. Viele weltweit führende Halbleiter-hersteller mit besonders hohen Ansprü-chen an die Zuverlässigkeit von Anlagen vertrauen auf diese Technologie.

Der PCS100 AVC ist in einem Leistungs-bereich von 160 kVA bis 20 MVA, als Schaltschrank für die Niederspannungs-verteilung oder als Containerlösung für Mittelspannungsanwendungen erhältlich. Er bietet eine genaue Online-Spannungs-regelung im Bruchteil einer Sekunde, feine Skalierbarkeit im Hinblick auf das Spannungs- und Leistungsniveau, eine bewährte und betriebssichere Umrich-terplattform, hoch entwickelte Rege-lungssoftware und einen Wirkungsgrad von 97–99 %.

Der PCS100 AVC sorgt für eine schnelle und vollständige Korrektur von dreipha-sigen Einbrüchen auf bis zu 70 % der Nennspannung und von einphasigen Einbrüchen auf bis zu 55 % der Nenn-spannung für 30 s. Bei tieferen Span-

3 Der PCS100 AVC bildet eine Plattform zur Verbesserung der Netzqualität.

Das wäre allerdings eine sehr dezentrale Maßnahme, die das Problem nur teil-weise lösen würde, da die eigentlichen Anwendungen und Komponenten wie Antriebe und Netzteile mit vollkommen anderen und überdimensionierten Bau-elementen ausgestattet sein müssten.

Der häufigste zentrale Schutz von kriti-schen Lasten wie Server, Rechen-zentren und Kommunikationsequipment gegen Spannungsschwankungen sind dynamische USV-Systeme und Schwung-rad-Puffersysteme. Aufgrund der damit verbundenen hohen Anschaffungs- und Betriebskosten werden je nach Indus- trie und Produktionsprozess oft nur 5–20 % der Gesamtlast einer Fabrik geschützt.

Besonders die hohen elektrischen Ver-luste bei klassischen Dual-Conversion-USV-Anlagen (zwischen 4 und 8 %) und der hohe Wartungsaufwand für die Batterien bzw. das jeweilige Speicher-medium schrecken Industrieunterneh-men davon ab, ihre gesamte Produktion vollständig vor Spannungsschwankun-gen zu schützen. Es muss also zwischen der Auftrittshäufigkeit und den finanziel-len Konsequenzen pro Ereignis einerseits und den Einstands- und Betriebskosten andererseits abgewogen werden.

Empfindliche Verbraucher effizient schützenMit dem PCS100 AVC (Active Voltage Conditioner) und dem PCS100 UPS-I (Uninterruptible Power Supply Industrial) auf der Basis des Spannungsreglers PCS100 bietet ABB zwei effiziente Lösungen zum Schutz empfindlicher

Einige Spannungs-einbrüche sind in Wirklichkeit tiefer als die definierten Standards.

2 Spannungseinbrüche in einer Halbleiterfabrik über einen Zeitraum von zehn JahrenE

ing

ang

ssp

annu

ng (

%)

Dauer (s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,10,01 1 10 100

IEC 61000 Semi F47 ITIC Einbruchsdaten

33Sicher versorgt

nungseinbrüchen unternimmt er eine teil-weise Korrektur, was oft einen Last-abwurf verhindert. Alle Modelle können zudem Spannungsschwankungen von ± 10 % der Netzspannung kontinuierlich ausregeln und beseitigen sogar Unsym-metrien in der Versorgungsspannung.

PCS100 UPS-I: Schutz vor kurzzeitigen UnterbrechungenDer PCS100 UPS-I ist ein Offline-USV-System ➔ 5, das bei einer Spannungs-unterschreitung von 90 % der Nenn-spannung die Versorgung durch eine elektronische Netzabschaltung (Utility Disconnect) trennt und die Versorgung übernimmt. Das System ist bis zu einer Anschlussspannung von 480 V und einer Bemessungsleistung von 2,4 MVA lieferbar.

Durch die parallele Anordnung bietet der PSC100 UPS-I mehrere Vorteile gegen-über klassischen USV-Anlagen. Da die Kurzschlussströme nicht über das Gerät fließen, muss der Industriekunde seinen bestehenden Schutz nicht verändern. Des Weiteren kann ein interner Fehler oder ein zu hoher Kurzschlussstrom nicht zu einer Netztrennung zwischen Erzeu gung und Last führen. Mit einem Wirkungsgrad von 99 % ist das System

zudem wesentlich günstiger im Betrieb als klassische USV-Anlagen.

Als Speichermedium werden in der Regel Hochleistungskondensatoren verwendet, die nur geringe präventive Wartungs-maßnahmen benötigen und bis zu 500.000 Arbeitszyklen bieten. Wirkliche Einsätze reduzieren somit nicht die Lebens dauer des Speichermediums, was bei Batterien dagegen oft der Fall ist. Lade- und Entladezyklen haben nur geringen Einfluss auf die Lebensdauer der Hochleistungskondensatoren.

Hoher Wirkungsgrad und reduzierte WartungskostenMit einem typischen Wirkungsgrad von 98–99 % ermöglichen die PCS100-Pro-dukte AVC und UPS-I erhebliche Ener-gieeinsparungen im Vergleich zu klassi-schen Lösungen. Hinzu kommt, dass ein Großteil des Wartungsbedarfs bei ähn-lichen Spannungsreglern auf das Spei-chermedium (vor allem Batterien) entfällt. Beim PCS100 AVC entfällt dies, und beim PCS100 UPS-I werden meistens Hochleistungskondensatoren eingesetzt, die nur einen Bruchteil der Wartungskos-ten von Batterien verursachen. Die mitt-lere Reparaturzeit (MTTR) für ein elektro-nisches Leistungsmodul beträgt bei den ABB-Lösungen typischerweise weniger als eine halbe Stunde. Die Wartungs-arbeiten können von jedem geschulten Elektriker vor Ort durchgeführt werden und erfordern keine teuren und langjähri-gen Serviceverträge.

Ralph Hoffmann

ABB Automation Products,

Power Electronics

Turgi, Schweiz

ralph.hoffman@ch.abb.com

Literaturhinweise[1] DIN EN 50160:2011-02 „Merkmale der Spannung

in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen“. Beuth, Berlin

[2] Ratering-Schnitzler, B.: „Versorgungsqualität aus Sicht eines Energieversorgers“ RWE Net AG Dortmund. ETG Kongress 2001

[3] SEMI F47-0706:2006-05 „Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage SAG Immunity“. Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI). San Jose, Calif./USA: www.semi.org

[4] IEC/TR 61000 „Electromagnetic compatibility (EMC)“. Bureau Central de la Comission Electrotechnique Internationale. Genf, Schweiz

Die beiden Versor-gungsschutzpro-dukte sind in Fabri-ken rund um den Globus im Einsatz.

Zusammen bieten der PCS100 AVC und der PCS100 UPS-I ABB-Kunden eine Möglichkeit, auch bei größeren Netz-störungen eine zuverlässige und unter-brechungsfreie Stromversorgung für ihre Industrieanlagen sicherzustellen.

Mehr über den PCS100 UPS-I lesen Sie im Artikel „Ausfallzeiten verhindern“ auf Seite 27 dieses Hefts.

4 Der PCS100 AVC besteht aus zwei Umrichterstufen, die nicht in den Strompfad zwischen Verbraucher und Energieversorger geschaltet sind.

Prinzipschaltbild

Wellenform der Eingangsspannung

Dreiph.Strom-versorgung Dreiphas.

Last-spannungWechsel-

richter-Bypass

Gleich-richter

Hilfs-schutz-schalter

Einspeisetransformator

Eingangs-Überlast-schalter

VersorgterKunde

Dreiphas. Ausgleichsspannung

Wellenform d.Ausgangsspannung

Autotransformator(nur für 208/220-V-

Versorgung)

5 Bei einem Spannungsabfall auf 90 % der Nennspannung übernimmt das Offline-USV-System PCS100 UPS-I die elektrische Versorgung.

Prinzipschaltbild

Strom-versor-gung Verteiltrans-

formator

Überlast-schalter

EingangGeschützteLast

Koppeltrans-formator

UPS-I

Geräteunter-brechung

Batterie (optional)

Stromversorgung vordem PCS100 UPS-I

Stromversorgung durchden PCS100 UPS-I

Kundenseit. Sicherheits-Bypass (optional)

Stromversorgung nachdem PCS100 UPS-I

Wechselrichter

Hochleistungs-kondensator

34 ABB technik 1|12

TitelbildRaffinerien: System 800xA ist nicht nur in der Lage, die Automatisierungs- und Informationsmanage-mentsysteme einer einzelnen Anlage zu integrieren, sondern kann auch die Systeme in Anlagen an verschiedenen Standorten und in verschiedenen Ländern in einer einzigen, integrierten Einheit miteinander verknüpfen.

cen nicht in der Lage sind, mit anderen Managementsystemen zusammenzuar-beiten, sind wenig nachhaltig – weder auf der Betriebs- und Wartungsebene noch auf der Engineering-Ebene. Die Lösung für die heutige Problematik liegt in der Erhöhung des Automatisierungsgrads und des Automatisierungsumfangs. Der Schlüssel zu einem Wettbewerbsvorteil auf den heutigen Märkten ist eine Integ-ration, die es verschiedenen Anlagenein-

I ntegration gehört zu den größten Her-ausforderungen in einem globalen Ge-schäftsumfeld. Angesichts des zuneh-menden Wettbewerbs stehen Unter-

nehmen heute mehr denn je unter Druck, bessere Ergebnisse mit weniger Ressour-cen zu erzielen. Wettbewerbsvorteile ent-stehen, wenn es ein Unternehmen ver-steht, die ungenutzte Produktivität seiner Ressourcen zur Erfüllung sich verändern-der Anforderungen zu nutzen. Darüber hinaus spielt die Zentralisierung von Sys-temen und Ressourcen eine zunehmend wichtige Rolle im Hinblick auf die Tat-sache, dass immer mehr erfahrende Mitarbeiter in den Ruhestand gehen und weniger technische Ressourcen zur Ver-fügung stehen. Getrennte Informations-systeme, deren „sachkundige“ Ressour-

THORALF SCHULZ – Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen verschiedene Anlagen-einheiten, Abteilungen und Mitarbeiter eines Betriebs als ein Team zusammenarbei-ten. Dazu muss jedes Teammitglied die Möglichkeit haben, von jedem Punkt des Systems aus in Echtzeit auf Informationen und kontextsensitive Entscheidungs- und Maßnahmentools zuzugreifen. Das ABB Extended Automation System 800xA Release 5.1 stellt ein integriertes Framework aus Systemen und Anwendungen zur Verfügung, in dem alle aussagekräftigen Informationen verfügbar sind und Benut-zern in einer Vielzahl von Rollen zugänglich gemacht werden können. Das neueste Release enthält verschiedene Verbesserungen, die ABB-Kunden dabei helfen, eine höhere Leistungsfähigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Bedienereffizienz bei erheblich reduziertem Platzbedarf zu erreichen.

System 800xA setzt neue Maßstäbe für Produktivität in der Automatisierungs-industrie

Mehrwert durch Integration

35Mehrwert durch Integration

36 ABB technik 1|12

management, Sicherheit, diskrete Logik und Ablaufsteuerung, gehobene Rege-lung, Informationsmanagement, intel li-gente Instrumentierung, intelligente An triebs technik und Motorsteuerungen (MCCs), Asset-Management und Doku-mentationsmanagement in einer einzigen

virtuellen Daten-bankumgebung . Dazu nutzt das System eine ein-zigartige Microsoft Windows-basierte B e t r i e b s u m g e -bung, die die kon-textbezogene Dar-stellung der richti-gen Informationen für die richtige Person im richti-

gen Format von jedem Punkt innerhalb des Systems aus ermöglicht.

Das Herzstück des System 800xA bildet die patentierte Aspect Object™-Tech-nologie von ABB ➔ 1, die das zeitauf-wändige Suchen nach Informationen verhindert, die auf verschiedene Mitar-beiter, Standorte, Computer und Anwen-dungen verstreut sind. Die Aspect-Ob-ject-Navigation stellt die gesamte Anlage auf harmonisierte Weise in einer virtuel-len Datenbankumgebung dar, die intelli-

Projekten breite Anwendung, sondern stellt auch den Evolutionspfad für tradi-tionelle ABB-Leitsysteme dar. Bis heute wurden über 6.000 Systeme mit dem Ziel verkauft, die Funktionalität der Automati-sierung in einer Vielzahl verschiedener Industrien wie Öl, Gas und Petrochemie,

Zellstoff und Papier, Biotechnologie/Pharmazie, Energieversorgung, Chemie/Feinchemikalien, Metall und Bergbau zu erweitern.

System 800xA stellt eine einzige Be-triebs-, Engineering- und Informations-management-Umgebung für einen er-weiterten Automatisierungsumfang dar. Es erweitert den Leistungsumfang eines traditionellen Prozessleitsystems (PLS) und integriert Funktionen aus den Berei-chen Prozessautomatisierung, Produkt-

heiten, Abteilungen und Mitarbeitern er-möglicht, in einem flexiblen, integrierten Team zusammenzuarbeiten. Dazu ist eine Automatisierungsplattform mit einer sehr hohen Konnektivität erforderlich. Exten-ded Automation System 800xA von ABB erweitert den Leistungsumfang traditio-neller Automatisierungssysteme über die Prozessteuerung hinaus, um die Produk-tivitätssteigerungen zu ermöglichen, die Fertigungsunternehmen benötigen, um im heutigen Wirtschaftsklima erfolgreich zu sein.

ABB Extended Automation System 800xADas im Jahr 2004 auf dem Markt einge-führte System 800xA war von Anfang an als Integrationsplattform mit Konnektivi-tät zu Unternehmens- und Anlagensyste-men, Anwendungen und Geräten ausge-legt, die eine Entscheidungsfindung in Echtzeit ermöglicht. Ziel der Entwicklung von System 800xA war es, die Zusam-menarbeit zu fördern, die Bedienereffi-zienz zu verbessern, nahtlose Automa-tisierungslösungen zu ermöglichen und flexible Evolutionspfade durch Integra-tion verschiedener, normalerweise ge-trennter Anlagensysteme, Anwendun-gen, Informations- bzw. Feldbus- und Controller-Plattformen bereitzustellen. System 800xA findet nicht nur bei neuen

1 Aspect-Object-Technologie

Die Aspect-Object™-Technologie verbindet Informationen mit den dazugehörigen Anlagen- und Wirtschaftseinheiten (den Objekten) und organisiert diese so, dass sie die Wirklichkeit widerspiegeln und mithilfe von leistungsstarken Navigations- und Suchfunktionen abgerufen werden können. Das Konzept legt außerdem fest, welche Informationen (Aspekte) zur Unterstützung jeder Anlagenkomponente als sogenanntes „Aspect Object“ notwendig sind. Aspect Objects können auch Fertigprodukte, Rohstoffe, Bestellungen und Fertigungs-aufträge sein. Ein Elektromotor könnte zum Beispiel durch ein Aspect Object dargestellt werden, das alle damit verbundenen Echtzeitinformationen enthält. Dazu könnten Konstruktionszeichnungen, Steuerungs-diagramme, Wartungsinformationen, Standortangaben, Qualitäts- und Konfigura-tionsinformationen gehören. Wichtig zu wissen ist, dass ein Aspekt nicht nur die Echtzeitinformationen umfasst, die mit einem bestimmten Aspect Object verknüpft sind, sondern auch eine Reihe von Software-Funk-tionen für die Erstellung, den Zugriff und die Bearbeitung dieser Informationen definiert.

2 Kernfunktionsbereiche des Extended Automation System 800xA

Operations. System 800xA Operations, die intuitivste Benutzeroberfläche der Branche, bietet konsistenten Zugriff auf unternehmens-weite Daten und ermöglicht die Interaktion mit mehreren Applikationen von jedem angeschlos-senen Client in der Anlage oder im Büro aus.Engineering. Die integrierte Engineering-Umgebung unterstützt den gesamten Lebens zyklus des Automatisierungsprojekts von der Planung über die Konfiguration und Bibliotheks erstellung bis hin zur Inbetriebnahme und zum Betrieb und trägt somit zur Minimie-rung der Unterhaltskosten der Anlage bei.Safety. System 800xA bietet ein komplettes, skalierbares Safety Integrated System (SIS) gemäß IEC 61508 und IEC 61511, das den gesamten Safety-Regelkreis einschließlich SIL-zertifizierter Feldgeräte, E/A-Module, Controller und Feldaktoren umfasst. Leistungs-starke Systemfunktionen, Bediener- und Engineering-Tools reduzieren die Anlagen- risiken durch Verwaltung des menschlichen Faktors.Information Management. Leistungsstarke Software ermöglicht die Erfassung, die Speicherung, das Abrufen und die Darstellung von historischen und aktuellen Prozess- und Unternehmensdaten, um die Berichtserstellung,

Visualisierung von Kennzahlen (KPI) und Analysen zu unterstützen.Batch Management. Funktionen zur koordinierten Planung auf Unternehmens- und Produktionsebene bieten die Flexibilität, Geschwindigkeit und Qualitätskontrolle, die nötig sind, um auf steigende Produktions-anforderungen reagieren zu können.Asset Optimization. Die Software nutzt die in der Anlage vorhandenen Informationen zur Überwachung, Beurteilung und Meldung von Betriebsmittelzuständen in Echtzeit, um kost- spielige korrektive und präventive Wartungs-maßnahmen zu reduzieren und Wartungs- und Kalibrierungsabläufe zu optimieren.Controller und E/A-Geräte. Eine umfassende Suite mit standardbasierter Hard- und Software ermöglicht eine vollständige Anlagenauto-matisierung. Die Controller werden durch eine komplette Reihe von industriellen E/A-Schnittstellen für alle Anlagenumgebungen ergänzt.Device Management. Durch die Unterstützung von Standards für digitale Feldbusse und intelligentes Gerätemanagement werden beträchtliche Kosteneinsparungen bei Design, Implementierung und Betrieb von Feldgeräten ermöglicht.

Der Schlüssel zu einem Wettbewerbsvorteil auf den heutigen Märkten ist die flexible Integration von ver-schiedenen Anlageneinheiten, Abteilungen und Mitarbeitern.

37

gente Feldgeräte, Funktionen zur Asset-Optimierung, Informationsmanagement, Chargenmanagement, Sicherheitssyste-me und MES-Anwendungen (Manufactu-ring Execution System) umfasst. System 800xA beseitigt somit die Hindernisse traditioneller PLS und stellt die integrierte Umgebung zur Verfügung, die für eine Steigerung der Produktivität bei gleich-zeitiger Senkung der Risiken und der Gesamt betriebskosten erforderlich ist. System 800xA ermöglicht eine drasti-sche Verbesserung der anlagenweiten Produktivität durch folgende leistungs-starke, integrierte Kernkomponenten: Operations (Betriebsabläufe), Enginee-ring, Safety (Sicherheit), Information Mana gement (Informationsmanagement), Batch Management (Chargenmanage-ment), Asset Optimization (Betriebsmit-teloptimierung), Controller und E/A-Ge-räte und Device Management (Geräte-management) ➔ 2.

Was ist neu im Release 5.1?Das neueste Release von System 800xA stärkt den Mehrwert durch Integration mit verbesserten Funktionalitäten zur Förderung der Zusammenarbeit, Verbes-serung der Benutzereffizienz, Entwick-lung von kostengünstigen Lösungen, Realisierung einer nahtlosen Automati-sierung und Bereitstellung flexibler Evo-

Mehrwert durch Integration

lutionspfade. In allen Kernfunktionsberei-chen wurden bedeutende Verbesserun-gen vorgenommen.

Das Release 5.1 basiert auf Microsoft Windows 7 und bietet damit einen ver-besserten Lebenszyklus für ABB-Kun- den und zukünftige Entwicklungen. Die neueste Version von System 800xA ist in der Lage, 120.000 Objekte und größere Anwendungen zu unterstützen, was die Integration mehrerer Systeme erleichtert. Ein Upgrade von der letzten Version 5.0 auf die Version 5.1 ist online möglich, wobei das System im laufenden Betrieb ohne Unterbrechung der Produktion aktuali siert werden kann (gültig für Instal-lationen von System 800xA 5.0SP2). Eine neue, intuitive Benutzeroberfläche für die Systemkonfiguration sorgt dabei für eine deutliche Reduzierung des Kon-figurationsaufwands.

Verbesserte Performance und gerin-gerer PlatzbedarfMehrere Verbesserungen der Leistungs-fähigkeit machen das bereits robuste Controller- und E/A-Angebot von System 800xA noch vielseitiger, flexibler und skalierbarer. Die neueste Version umfasst ein neues Mitglied der Controllerfamilie AC800M, den PM891. Mit ungefähr der dreifachen Taktfrequenz und der vier-

System 800xA beseitigt die Hin-dernisse traditio-neller PLS und liefert die integ-rierte Umgebung, die für eine Steigerung der Produktivität und Senkung der Risiken und Gesamtbetriebs-kosten erforder-lich ist.

3 Extended Automation System 800xA

BedienplätzeExtended OperatorWorkplacePanel 800

Anlagennetzwerk,ERP, CMMS, . . .

Systemnetzwerk

Feldbusse

AC 800MController

WirelessHARTGateway

WirelessHART

Motor-Controller

Schutz- und Steuer-IED

Drehzahl-geregelterAntrieb

NS-Schaltanlage

SPS & PLSvon ABB undDrittanbietern

Mod

uleb

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IEC

6185

0

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BU

S /

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OFI

NE

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Mod

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DB

US

AC 800MHigh IntegrityController

Feuer & Gas

AbschaltungS900 I/O

S800 I/O

Schaltanlagen-automatisierung

Prozess-elektrifizierung

Prozess-instrumentierung SPS & PLSSicherheit

System-Server

38 ABB technik 1|12

bietet Benutzern die Möglichkeit, Sicher-heitspatches von Microsoft herunterzu-laden und mit der Liste der von ABB qualifizierten Updates abzugleichen. Darauf hin kann der Benutzer einen lade-fähigen Satz unterstützter und geprüfter Sicherheitsupdates erstellen, der dann auf System 800xA übertragen werden kann. Dies spart wertvolle Zeit und Auf-wand und gewährleistet ein robusteres, sicheres System.

Zu den Verbesserungen im Bereich Operations gehören integrierte Alarm-managementoptionen mit Funktionen zur Alarmanalyse, zum Alarm-Shelving und zur Alarmquittierung. Zusätzlich zur klas-sischen Darstellung von Alarmstatistiken können die integrierten Alarmanalyse-anzeigen nativ über WPF-basierte (Micro soft Windows Presentation Found-ation) Grafiken aufgerufen werden. Da-durch werden die Benutzer in den Pro-zess eingebunden, und ein fortwähren-der Erfolg der Alarmmanagement-Strate-gie wird sichergestellt. Ferner ist die Alarmanalyseliste ISA-18.02-konform. Eine neue „Point-of-Control“-Funktion bietet Benutzern in anderen Anlagen-bereichen die Möglichkeit, die Erlaubnis zur Steuerung eines Anlagenbereichs oder einer Anlageneinheit beim derzeit verantwortlichen Bediener anzufordern.

serungen der Foundation-Fieldbus-Archi-tektur konnten die Infrastrukturanforde-rungen für das Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Netzwerk (HSE) erheblich redu-ziert werden. Damit kann nun die vier-fache Anzahl von Geräten an einen Kno-ten angeschlossen werden. Die Founda-tion-Fieldbus-Schnittstellen von System 800xA unterstützen nun auch die elek-tronische Gerätebeschreibungssprache EDDL. Die IEC-61850-Kommunikation von System 800xA wurde durch Erhöhung der Anzahl der unterstützten intelligenten elektronischen Geräte (IEDs) pro Schnitt-stellenkarte von 50 auf 80 verbessert. Außer dem wurde die Unterstützung von Alarmen und Ereignissen verbessert, um eine noch tiefere und breitere Integration von elektrischen Systemen zu ermög-lichen. Diese Schnittstellen erleichtern dem Kunden den Zugriff auf die Daten von intelligenten Instrumenten und deren Nutzung unabhängig vom physikalischen Einbauort oder Hersteller.

Verbesserte WartungAuf der Basis benutzerorientierter Design-verfahren bietet die neuste Version von System 800xA eine Systemadministra-tionskonsole und ein Sicherheitsupdate-Tool, die dabei helfen, einen sicheren und optimalen Systembetrieb zu ge-währleisten. Das Sicherheitsupdate-Tool

4 System 800xA Extended Operator Workplace, eine ergonomische und leistungssteigernde Arbeitsumgebung

fachen Speicherkapazität seines Vorgän-gers ist er der leistungsstärkste Control-ler seiner Klasse. Der PM891 bietet bes-sere Unterstützung für große Systeme und die Integration mehrerer Systeme. Dank Virtualisierungsunterstützung für VMware vSphere 4 ESX/ESXi konnte die Anzahl der erforderlichen PCs um 75 % reduziert werden, was mit einer erheb-lichen Reduzierung des Platzbedarfs, des Energieverbrauchs, der Wartungs-anforderungen und der Gesamtbetriebs-kosten verbunden ist.

Verbesserte KonnektivitätAuch das Angebot an Kommunikations-schnittstellen wurde erweitert und verbes-sert, um Kunden eine bessere Nutzung der Integrationsfähigkeiten von System 800xA zu ermöglichen. Dazu gehören neue Kommunikationsschnittstellen für PROFINET, DeviceNet über Ethernet/IP und WirelessHART. Die WirelessHART-Lösung von System 800xA ermöglicht die nahtlose Integration des WirlessHART-Gateways von Pepperl+Fuchs zur Anbin-dung HART-fähiger Geräte wie Sensoren und Aktoren. Gleichzeitig können damit die entsprechenden Prozessgrößen und Diagnosedaten im Controller, in der MMS und in der integrierten Asset-Optimie-rungsanwendung von System 800xA zur Verfügung gestellt werden. Durch Verbes-

39Mehrwert durch Integration

eine vereinheitlichte Workflow-Umge-bung zur Verfügung, die die Zusammen-arbeit fördert und Mitarbeitern ein bes-seres Verständnis ihrer spezifischen Anfor derungen im Kontext des Gesamt-systems liefert. Durch die gemeinsame Nutzung von Daten, Wissen und Funk-tionsdarstellungen wird sichergestellt, dass Mitarbeiter aller Fachbereiche die Betriebssituation und ihre Rolle besser verstehen. Dies ist der Mehrwert durch Integration, den System 800xA Release 5.1 bietet – eine Automatisierungsplatt-form, die die Entwicklung, Umsetzung und Ausführung von Automatisierungs-strategien für Prozesse, Schaltanlagen, elektrische Anlagen und Sicherheits-systeme innerhalb eines redundanten, zuverlässigen Systems unterstützt.

Thoralf Schulz

ABB Process Automation

Mannheim, Deutschland

thoralf.schulz@de.abb.com

anwendungen und Grafiken vorgenom-men wurden, und liefert genaue Anga-ben über alles, was verändert, hinzu-gefügt oder entfernt wurde, in einer leicht lesbaren Benutzeroberfläche. Der Detailed Difference Report liefert Ingeni-euren und Mitarbeitern des Qualitäts-wesens genau die Informationen, die sie benötigen, um Veränderungen zu iden-tifizieren und deren Auswirkungen zu beurteilen. Dies ist besonders nützlich in Änderungsmanagementprozessen, da so nachgewiesen werden kann, dass außer den in der Änderungsanforderung aufgeführten Änderungen keine anderen Veränderungen vorgenommen wurden. So kann wertvolle Zeit bei der Über-prüfung von Änderungsanforderungen gespart werden.

System 800xA Release 5.1 bietet ein verbessertes Lebenszyklusmanagement durch die Verwendung neuester Techno-logien; eine höhere Leistungsfähigkeit und Benutzerfreundlichkeit durch ver-besserte Systemdimensionierung und einen neuen, leistungsstärkeren Control-ler; Energieeinsparungen und reduzierte Wartungskosten durch einen geringeren Platzbedarf und eine verbesserte Bedie-nereffizienz durch integriertes Informa-tions- und Alarmmanagement. Mit dem neuesten Release stellt System 800xA

Nach der Freigabe wird die Erlaubnis zur Bedienung des betreffenden Anlagenteils an den betreffenden Benutzer übertra-gen und im Audit-Trail-Protokoll festge-halten. Die Alarme für den betreffenden Bereich bzw. die betreffende Einheit und die Ereignismeldungen werden nun an den neuen Bediener weitergeleitet. Point of Control verbessert somit die Koordi-nation der Bediener in kritischen Zeiten wie Schichtwechseln und trägt zu einer sichereren Betriebsumgebung für Mensch und Maschine bei.

Verbessertes ÄnderungsmanagementSystem 800xA 5.1 enthält zwei neue Funktionen zur Verbesserung und Ratio-nalisierung von Änderungsmanagement-prozessen. Das Task Analysis Tool er-möglicht die Evaluierung von Anwendun-gen hinsichtlich bestimmter Aufgaben (Tasks) vor dem Herunterladen. Es zeigt mögliche Zeitverzögerungen und Konflik-te auf und verhindert ein Herunterladen der neuen Anwendung, um Controller-fehler zu verhindern. Die Durchführung von „Was-wäre-wenn“-Szenarien zur Feststellung möglicher Probleme bei Ver-änderung der Zykluszeiten für die Aus-führung von Tasks ist ebenfalls möglich. Der sogenannte Detailed Difference Report bietet eine gute Übersicht über die Änderungen, die an Steuerungs-

5 Auch hier ist System 800xA im Einsatz: Esperanza Kupfer- und Goldmine in Antofagasta (Chile) System 800xA stellt eine verein-heitlichte Work-flow-Umgebung zur Verfügung, die die Zusammen-arbeit fördert und Mitarbeitern ein besseres Verständnis ihrer spezifischen Anforde rungen im Kontext des Gesamtsystems liefert.

ABB technik 1|12 40

41Die lebende Fabrik

JESSICA WHELAN, DANIEL KEOGH – Pharmazeutische Produkte gibt es bereits seit vielen Jahrzehnten. Relativ neu hingegen sind sogenannte Biopharmazeutika-Medika mente, die unter Verwendung lebender Organismen wie Mikrobenzellen, Zelllinien von Säugetieren und pflanzlichen Zellkulturen hergestellt werden. Jede Zelle ist eine Art lebende Fabrik, in der Nährstoffe durch Stoffwechsel in ein Proteinwirkstoffprodukt umgewandelt werden. Die Bioreaktoren, in denen dies geschieht, stellen außerordentlich komplexe Umgebungen mit einer nichtlinearen, dynamischen Mischung aus vielen Milliarden Zellen und Nährstoffen dar, die empfindlich auf Temperaturveränderungen, pH-Werte, Inhomogenität usw. reagieren. Das Interesse an einer Verbesserung der Prozessführung in Bioreaktoren ist groß. Einer der Haupttreiber hierfür ist der Druck von behördlicher Seite. Ein Beispiel ist die PAT-Initiative (Process Analytical Technology) der US-amerikani-schen Food and Drug Administration (FDA). Unter Verwendung ihrer xPAT-Techno-logie arbeitet ABB mit irischen Universitäten und führenden Herstellern von Biopharmazeutika im Rahmen einer von Enterprise Ireland finanzierten Initiative an der Entwicklung von Modellen zur Untersuchung der Vorteile einer PAT-gestützten, modellbasierten Regelung eines Fed-Batch-Zellkulturprozesses.

Modellierung einer Säugetierzellkultur für ein Online-Prozessleitsystem

Die lebende Fabrik

TitelbildDie Herstellung von Biopharmazeutika ist etwas komplizierter als die von normalen Arzneimitteln. Wie können Prozessingenieure die damit verbunde-nen komplexen organischen Prozesse überwachen?

42 ABB technik 1|12

tiative (Process Analytical Technology) ins Leben. Diese sieht die Prozessanalysen-technik (PAT) als Mechanismus zur Ent-wicklung, Analyse und Regelung von pharma zeutischen Herstellungsprozessen durch Messung kritischer Prozesspara-meter (CPP) vor, die kritische Qualitäts-attri bute (CQA) beeinflussen. Ziel ist es, die Prozesse durch Definition ihrer CPPs zu verstehen und eine zeitnahe Überwachung – vorzugsweise inline oder online – zu ermög lichen und somit die Anforderungen an eine abschließende Prüfung, Aus schuss-quoten und mögliche Überbehandlungen zu reduzieren und gleichzeitig die Konsis-tenz und Produktqualität zu verbessern.Da sowohl die Rohstoffe als auch der Be-trieb der Ausrüstung mit einer gewissen Variabilität verbunden sind, führt ein stati-scher Batch-Prozess zu einem variablen Produkt. Die PAT-Initiative versucht, durch Verbesserung des Verständnisses und der Regelbarkeit des Prozesses die Qualität innerhalb des Prozesses zu verbessern (anstatt auf eine Prüfung der CQAs des Endprodukts zu vertrauen), indem sie einen dynamischen Herstellungsprozess unterstützt, der in der Lage ist, die zugrun-de liegenden Variationen zu kompensie-

ren. PAT genießt unter Experten weltweit zunehmende Akzeptanz als eine bewährte Methode zur Gewährleistung der Produkt-sicherheit und -qualität.Zu den Vorteilen eines besseren Prozess-verständnisses gehören neben einer höhe-ren Produktqualität eine schnellere Pro-zessoptimierung und kürzere Produktein-führungszeit, höhere Produkttiter, eine ge-ringere Prozessvariabilität, kürzere Zyklus-zeiten und weniger Abfall.

PAT-unterstützende InstrumentierungUnterstützt wird die PAT-Initiative durch die erhöhte Verfügbarkeit von Online-Messun-gen. Um einen Parameter wirksam regeln zu können, muss dieser zunächst gemes-sen werden. Spektroskopische Verfahren wie die Nah-Infrarot- (NIR), Mittel-Infrarot-

ben. Beim Fed-Batch-Verfahren wird der Charge (Batch) eine konzentrierte Nähr-lösung entweder kontinuierlich oder perio-disch hinzugefügt, und es wird kein Pro-dukt entnommen, bis der Endpunkt erreicht ist. Die in Fed-Batch-Prozessen erreichte höhere Produktivität ist hauptsächlich auf eine Erhöhung des Integrals von Lebend-zellen und der daraus resultierenden Stei-gerung der volumetrischen Produktivität zurückzuführen. Das Fed-Batch-Verfahren ist aufgrund seiner Zuverlässigkeit, leich-ten Skalierbarkeit, höheren Produktivität und einfachen Prozesscharakterisierung und -validierung besonders beliebt.

ProzessführungIm Gegensatz zum chemischen und tradi-tionellen pharmazeutischen Sektor steckt die Prozessführung für Bioprozesse noch in den Kinderschuhen. Dies liegt zum Teil an den Herausforderungen, die mit der Steuerung von Bioreaktoren verbunden sind: komplexe Wachstumsmedien, unzu-reichende Messung relevanter Prozess-parameter, die begrenzte und verrauschte Natur experimenteller Daten sowie inhä-rente Schwierigkeiten bei der Steuerung von dynamischen, komplexen und nicht-linearen Bioprozes-sen. Bei der Steue-rung von Bioreakto-ren geht es also darum, die intrazel-lulären Reaktionen von Milliarden Zel-len durch Steue-rung der extrazel-lulären Umgebung zu beeinflussen [2]. Traditionell werden Parameter wie Tem-peratur, pH-Wert und Gelöstsauerstoff (Dissolved Oxygen, DO) mithilfe von In- situ -Sonden gemessen und durch Anpas-sung von Gas- oder Alkaliflüssen mithilfe von PID-Regelkreisen geregelt. Die Rege-lung des Nährstoffgehalts erfolgt für ge-wöhnlich noch immer manuell. Allgemein geschieht dies durch Boluszugaben in Abständen von 24 Stunden auf der Basis von Offline-Analysen täglicher Prozess-proben und A-priori-Prozesswissen.

Die PAT-InitiativeZurzeit besteht ein großes Interesse an der Verbesserung der Prozessführung von Bioreaktoren. Einer der Haupttreiber hier-für ist der Druck seitens der Behörden. Im Jahr 2003 rief die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) die PAT-Ini-

I m Gegensatz zu „normalen“ Pharma-zeutika, die vornehmlich auf chemi-schen Stoffen basieren, sind Bio-pharmazeutika-Medikamente, die von

leben den Organismen produziert (aber nicht einfach aus ihnen extrahiert) werden. Die Wissenschaft dahinter ist relativ neu, und eines der ersten Produkte – bio-synthetisches „menschliches“ Insulin, her-gestellt durch DNA-Rekombination – kam erst 1982 auf dem Markt. Seitdem hat sich die Biopharmazie zu einem bedeutenden und wachsenden Teilbereich der pharma-zeutischen Industrie entwickelt. Zurzeit sind etwas über 200 biopharmazeutische Produkte auf dem Markt, die im Jahr 2009 einen Umsatz von 99 Mrd. USD erzielten. In den nächsten Jahren wird ein jährliches Wachstum des Marktes von 7–15 % er-wartet, und bis 2013 sollen vier der fünf meistverkauften Arzneimittel proteinbasiert sein. Der größte Teil der auf dem Markt befind lichen Produkte wird mithilfe von Säugetierzellen, insbesondere Ovarien-zellen von chinesischen Hamstern (CHO-Zellen), und Bakteriensystemen wie Escherichia coli (E. coli) produziert, doch es kommen auch alternative Systeme wie Hefe und Pflanzenzellen zum Einsatz [1].

Fed-Batch-VerfahrenDer überwiegende Teil der aktuellen indus-triellen Bioprozesse wird nach dem Batch- oder Fed-Batch-Verfahren betrie-

In den nächsten Jahren wird ein jährliches Wachstum des Marktes von 7–15 % erwartet, und bis 2013 sollen vier der fünf meistverkauften Arznei-mittel proteinbasiert sein.

43Die lebende Fabrik

für Säugetierzellprozesse. ➔ 1 zeigt eine nicht umfassende Kategorisierung von Prozessmodellen. Diese können in quali-tative, mathematische und statistische Modelle unterteilt werden. Mathematische Modelle lassen sich weiter unterteilen in mechanistische und sogenannte Black-Box-Modelle. Für Regelanwendungen sind im Allgemeinen quantitative Modelle er-forderlich. Die nützlichsten Modelle für die Regelung von Bioprozessen sind physika-lisch-chemische Modelle, Modelle auf der Basis neuronaler Netze und PCA- oder PLS-basierte multivariate statistische Modelle.

Physikalisch-chemische ModelleDie hier beschriebenen physikalisch-che-mischen Modelle beziehen sich eher auf technische als auf biologische Grund-prinzipien. Sie verbinden Massenbilanz-, Raten- und Ertragsgleichungen zur Be-schreibung der dynamischen Profile von Biomasse, Nährstoffen und Metaboliten.Soll die Zelle nicht als einzelne Einheit, sondern detaillierter betrachtet werden, z. B. unter Berücksichtigung von Amino-säuren, Nukleotiden, Proteinen und Lipi-den, steigen die Komplexität, Entwick-lungszeit und erforderliche Rechenleistung erheblich.Um das Verhältnis zwischen Substrat- und Metabolitkonzentrationen, Zellwachs-tum und Produktbildung nachzubilden, sind keine teuren theoretischen Modelle erforderlich. Stattessen können Parameter innerhalb der Gleichungen optimiert wer-den, um die Gleichungen an experimen-telle Daten anzupassen.Typischerweise bieten diese semiempiri-schen Modelle eine gewisse Extrapola-tionsfähigkeit, sodass physikalisch-chemi-sche Modelle dieser Art für Optimierungs- und Regelungsanwendungen besonders

(MIR) und Raman-Spektroskopie sind ent-sprechende Werkzeuge zur Online-Über-wachung von Nährstoff- und Metabolit-konzentrationen. Automatisierte Multifunk-tionsanalysatoren wie die Systeme von Nova Biomedical oder YSI nutzen eine Kombination aus enzymatischen, ampero-metrischen, potentiometrischen und Coul-ter-Zählern bzw. CCD-Kamera-Analysato-ren zur gleichzeitigen Quantifizierung von Nährstoff- und Metabolitkonzentrationen, Zelldichte und -viabilität, gelöstem Sauer-stoff und Kohlendioxid sowie pH-Wert „at line“ (d. h. durch Probeentnahme in Pro-zessnähe).Die automatisierte Atline-Analyse erfordert die Entnahme einer automatischen, steri-len Probe aus dem Bioreaktor. Einige Sys-teme, die dazu in der Lage sind, werden zurzeit entwickelt und auf den Markt ge-bracht. Eine Regelung im geschlossenen Regelkreis ist möglich, wenn das Probe-nahmeintervall weniger als 25 % der Reak-tionszeit des Systems entspricht [3].

Modelltypen und RegelstrategienEs gibt eine Vielzahl von potenziellen Anwen dungen für Modelle des Säugetier-Zellkulturprozesses: Untersuchung der zugrunde liegenden Prozessmechanis-men, Analyse und Vorhersage experimen-teller Ergebnisse für eine schnellere Prozess optimierung, gehobene Regel-strategien, Entscheidungsunterstützungs-systeme und Softsensoren. Die Wahl des Modelltyps hängt dabei sowohl von der vorgesehenen Anwendung als auch von der Quantität, Qualität und Art der verfüg-baren experimentellen Daten ab, auf denen das Modell aufbaut.Prozessmodelle bilden die Grundlage für die meisten modernen oder gehobenen Regelstrategien. Dieser Beitrag konzent-riert sich auf die modellbasierte Regelung

Der größte Teil der Produkte auf dem Markt stammt aus Säugetierzellen, insbesondere CHO-Zellen, und Bakteriensystemen wie E. coli.

1 Kategorien von Prozessmodellen

Qualitativ(Fuzzy-Logik)

MathematischProzess-

Model

Statistisch(PCA/PLS)

Mechanistisch(physikalisch-

chemisch)

Black-Box(neuronale

Netze)

2 Prinzip der modellprädiktiven Regelung

AnlageDynamischer

Optimierer

SystemmodellZielfunktion und Neben-bedingungen

MPC-Regler

yu

44 ABB technik 1|12

malisiert werden können. Bei Bioprozes-sen, bei denen die Komplexität der Prozes-se sehr hoch ist, kann das geringe Maß an erforderlichem Prozessverständnis ein be-deutender Vorteil sein, insbesondere wenn historische Datensätze verfügbar sind.

Multivariate ProzessregelungIn der traditionellen Fertigungsindustrie werden bereits seit einiger Zeit univariate Regelkarten zur statistischen Prozess-regelung (SPC) für die Überwachung und Verbesserung von Prozessen eingesetzt. In Bioprozessen werden viele Variablen aufgezeichnet, die potenziell eine Aus-wirkung auf die Ausgabe des Systems haben können. Um eine ähnliche Analyse dieser großen Datensätze zu ermöglichen, wurden multivariate statistische Methoden entwickelt. Die Erkennung anormaler Zustände und Ursachenanalysen können mithilfe der Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA) und der Methode der kleinsten partiellen Quad-rate (Partial Least Squares, PLS) bzw. der Projektion auf latente Strukturen (Projec-tion on Latent Structures, PLS) durch-geführt werden.Allgemein wird die PCA vorwiegend zur Erken nung von Chargenabnormalitäten eingesetzt, während die PLS zur Vorher-sage von Ausgabeparametern wie der Produktqualität oder dem Chargenend-punkt auf der Basis von Eingabevariablen und den aktuellen Prozesszuständen verwendet werden kann.Da statistische Modelle datengesteuert sind, ist es wichtig, dass die Referenzchar-gen die Variation im Prozess gut erfassen: Zu wenig Variation führt zu Fehlalarmen, während zu viel Variation das Modell unempfind lich macht. So sind in der Regel 10 oder mehr Chargen zur Erstellung eines multivariaten statistischen Modells not-wendig.Nachdem der Aufwand zur Erstellung eines guten Prozessmodells in Kauf ge-nommen wurde, sollte das Modell nutz-bringend eingesetzt werden. Eine mög-liche Anwendung sind modellbasierte Rege lstrategien. Eine Art der modell-basierten Regelung ist die modellprädiktive Regelung (MPC).

Modellprädiktive RegelungMPC ➔ 2 ist ein Mehrgrößen-Regelalgo-rithmus (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO), der auf der wiederholten Lösung eines Optimalsteuerungsproblems mit endlichem Zeithorizont unter Berücksich-tigung von Leistungsvorgaben, Neben-

funktion verarbeitet, bevor sie wieder ausge geben werden. Diese Ausgabe kann das Endergebnis sein oder einfach Daten, die an andere Schichten innerhalb des Netzes weitergegeben werden. Während des Lernens werden die auf jede Eingabe angewandten Gewichtungen angepasst, um die Differenz zwischen den vorherge-sagten und den tatsächlichen Ergebnissen zu minimieren.Für die Entwicklung eines robusten neuro-nalen Netzes ist eine wesentlich größere Anzahl von Chargen erforderlich (typi-scherweise zwischen 20 und 30) als bei physikalisch-chemischen Modellen.Die Qualität der experimentellen Daten spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Es müssen sämtliche Eingaben identifiziert werden, die die vorherzusagende Ausgabe beeinflussen. Außerdem müssen korrelie-rende Eingaben vermieden werden. Der Lerndatensatz muss genügend Variabilität aufweisen, um den gesamten Betriebs-bereich abzudecken, und die Daten müs-sen vorverarbeitet werden, damit Ausreißer und Daten mit schlechter Qualität wirksam entfernt und die Eingaben skaliert und nor-

3 Der Pilotreaktor Applikon 15 L mit Nebeneinrichtungen wie Speisepumpen und Gaszufuhrausrüstung

nützlich sind. Es sind zwar experimentelle Daten erforderlich, doch bewegen sich diese je nach Anzahl der Parameter und Bandbreite der Betriebsbedingungen inner - halb des Modells normalerweise in der Größenordnung von drei bis fünf Chargen.

Neuronale NetzeNeuronale Netze beinhalten eine Art der Black-Box-Modellierung, bei der wenig oder gar kein Verständnis der zugrunde liegen den Mechanismen des Prozesses erforderlich ist. Das neuronale Netz ist darauf programmiert, eine oder mehrere Ausgaben auf der Grundlage einer Reihe von Eingaben vorherzusagen, wobei es mithilfe von experimentellen Daten und/oder deterministischen Modellen „trainiert“ wird. Das neuronale Netz lernt, indem es Daten ohne Regeln verarbeitet. In seinem Kern ist es eine nichtlineare Regression. Eine Reihe von Dateneingaben wird auf eine Reihe von Funktionen oder Knoten angewandt, die eine Schicht innerhalb des neuronalen Netzes bilden. Die Eingaben werden gewichtet, summiert und durch eine Übertragungs- oder Schwellenwert-

45Die lebende Fabrik

errech net dann ein entsprechendes Reg-lerverhalten für jede Eingabe. Im Gegen-satz zu einem herkömmlichen PID-Regler, dessen Ziel es ist, die momentane Abwei-chung zwischen Prozesswert und Soll-wert zu minimieren, sorgt die längerfristi-ge Sichtweise der MPC für eine Reduzie-rung der Auswirkungen von unbekannten Störungen, unregelmäßigen Signalen und Rauschen. Außerdem eignet sich die MPC für Systeme mit einer großen Tot-zeit, ist aber nicht robust in Situationen mit stark veränderlicher Totzeit.Die MPC eignet sich naturgemäß für die Optimierung. Durch das Vorhandensein eines dynamischen Optimierers, einer Zielfunktion und von Nebenbedingungen innerhalb des Frameworks ist die MPC in der Lage, zukünftige Verletzungen der Nebenbedingungen vorherzusagen, kom-plexe Wechselwirkungen zu berücksichti-gen und die Stellgrößen reibungslos an-zupassen. Von allen gehobenen Regel-strategien in der Industrie besitzt die MPC den größten Anwendungsbereich.

Das apPAT-ProjektZurzeit läuft ein von Enterprise Ireland finan ziertes Projekt zur Untersuchung des Einsatzpotenzials von PAT in Bio-Anwen-dungen. Im Rahmen dieses Projekts arbei-ten Forschungsgruppen des University College Dublin (UCD), der Dublin City Uni-versity, dem Tyndall Institute des University College Cork und dem National Institute for Biotechnology Research and Training (NIBRT) unter der Leitung von Professor Brian Glennon von der School of Chemical and Bioprocess Engineering am UCD zu-sammen mit ABB daran, die Vorteile einer PAT-gestützten, modellbasierten Regelung eines Fed-Batch-Prozesses für Säugetier-

zellkulturen zu un-tersuchen. Die For-schungsaktivitäten werden begleitet von einem Beirat aus Vertretern ver-schiedener in Irland ansässiger multina-tionaler Unterneh-men wie Pfizer, Eli Lilly, Jannsen Bio-logics und Merck sowie einer Gruppe

einheimischer KMUs wie BioUETIKON, Technopath, BioImages u. a., die sich vier-teljährlich treffen, um die Forschungen zu kommentieren und zu lenken.Das Projekt basiert auf dem Leitsystem Extended Automation System 800xA

bedingungen hinsichtlich der Zustände und Eingaben sowie eines System modells basiert. Dabei können ein mathemati-sches Modell, z. B. physikalisch-chemi-sche Modelle oder neuronale Netzmodel-le, oder statistische Modelle wie PCA oder PLS zur Erstellung eines zukünftigen Chargenverlaufs (Trajektorie) auf der Basis

mehrerer gemessener Prozesseingaben verwendet werden. Die MPC versucht, das Quadrat der Abweichung zwischen der vorhergesagten und der gewünschten Trajektorie über einen benutzerdefinierten Vorhersagehorizont zu minimieren und

Mit ihrer länger-fristigen Sichtweise hilft die MPC dabei, die Auswirkungen von unbekannten Störungen, unregel-mäßigen Signalen und Rauschen zu reduzieren.

Statistische Modelle können zur Unterstützung bei der Online-Prozessevaluation und Entscheidungsfindung sowie zur Identifizierung von Stör-größen eingesetzt werden.

Zelllinien aus den Ovarien chinesischer Hamster (CHO) gehören zu den in der biopharmazeu-tischen Industrie am häufigsten verwendeten Säugetier-Zelllinien. Sie werden unter anderem zur Herstellung von lizenzierten therapeutischen Proteinen wie Erythropoetin (EPO), CD20, Tumornekrosefaktor alpha und HER2 ein- gesetzt. Die Zellen sind robust und lassen sich leicht an die Anforderungen einer Protein-herstellung im großen Maßstab anpassen.

Sie können in Suspensionen mit hoher nutz - barer Zelldichte gezüchtet werden, was eine Kultivierung in großen Rührkessel-Bio reaktoren erleichtert. Außerdem bieten sie eine hohe Proteinexpression, und ihre DNS kann leicht für die Produktion eines gewünschten Proteins verändert werden.

4 CHO-Zelllinien

46 ABB technik 1|12

zu herkömmlichen Fed-Batch-Reakto-rprozessen mit Boluszufuhr eine erheb-liche Steigerung darstellt. Eine höhere Dichte viabler Zellen bedeutet eine größere Zahl von „Produktionseinheiten“ im Biore-aktor und damit eine höhere Produktion von Biopharmazeutika.Ein Leitsystem, das wie das xPAT-System in der Lage ist, eine Vielzahl verschiedener PAT-Instrumente zu integrieren und deren Daten zu verwalten, eröffnet neue Möglich-keiten zur Umsetzung gehobener modell-basierter Regelstrategien. Diese gehobe-nen Strategien bieten das Potenzial zur Steigerung der Produktivität und Robust-heit des Prozesses und zur Senkung der Prozessvariation – alles äußerst wün-schenswerte Eigenschaften in der bio-pharmazeutischen Industrie.

Jessica Whelan

School of Chemical and Bioprocess Engineering,

University College Dublin

Dublin, Irland

jessica.whelan@ucd.ie

Daniel Keogh

ABB Control Technologies

Dublin, Irland

daniel.keogh@ie.abb.com

Literaturhinweise[1] Walsh, G. (2010): „Biopharmaceutical bench-

marks 2010“. Nature Biotechnology 28 (9): 917–924

[2] Boudreau, M., McMillan, G. (2006): „New Directions in Bioprocess Modeling and Control – Maximizing Process Analytical Technology Benefits“. ISA

[3] Boudreau, M., Benton, T. (2008): „Bioprocess control: What will the next 15 years bring.“ http://www.pharmamanufacturing.com/artic-les/2008/062.html (aufgerufen am 9. 2. 2012)

Die daraus resultierenden Informationen werden dann an das ABB- oder Dritt-anbieter-Leitsystem und andere Anwen-dungen weitergegeben, die den Arznei-mittelherstellungsprozess unterstützen.ABB stellt die zur Installation und Konfigu-ration des Systems am UCD erforder- lichen Engineering-Leistungen bereit ➔ 3. Als Modellsystem dient eine CHO-Zellli-nie ➔ 4, da dies das in der Industrie am häufigsten verwendete Expressionssystem darstellt. Für den untersuchten Prozess wurde eine Reihe von Inline- und Atline-PAT-Technologien evaluiert und entwickelt. Dazu gehören MIR- und Raman-Spektros-kopien zur Überwachung der Substrat- und Metabolitkonzentrationen und zur Durchflusszytometrie sowie Canty-Bild-systeme und ein Beckman Coulter Vi-Cell Zellanalysator zur Bestimmung verschie-dener Zellparameter wie Zelldichte, Viabili-tät und Zellzyklus.Forscher am Tyndall Institute und am UCD entwickeln zurzeit ein Ventilsystem, das in der Lage ist, automatische, sterile Proben aus dem Reaktor zu entnehmen, um die Atline-Analyse zu erleichtern.Zur Regelung der Nährstoffzufuhr zum Reak tor wird ein physikalisch-chemisches, halbempirisches Modell, das die Bio-masse-, Substrat- und Metabolit-Trajekto-rien beschreibt, innerhalb eines MPC-Frameworks eingesetzt.Die Experimente zur Implementierung, Opti mierung und Evaluierung der Prak-tikabilität und der Vorteile eines PAT- gestützen gehobenen Regelungssystems für einen Säugetierzellprozess laufen zur-zeit ➔ 5, 6. Bei den bisherigen Arbeiten konnte im MPC-geregelten Fed-Batch-Reaktor eine um 15 % höhere Lebendzell-dichte erreicht werden, was im Vergleich

von ABB und einem xPAT-System beste-hend aus Analysator-Controllern vom Typ FTSW800 und einem Datenmanagement-system.xPAT (Industrial IT eXtended PAT) ist eine industriespezifische PAT-Lösung der nächsten Generation auf der Basis der System 800xA-Infrastruktur. Das System nutzt die Betriebs- und Engineering-Um-gebung sowie die Integrationsfähigkeit von System 800xA, um erhebliche Ver-besserungen des Gesamtprozesses und der Qualität des Endprodukts zu ermög-lichen. Es bietet Nutzern aus dem Life-Science-Bereich zudem die Möglichkeit, über ein einziges System auf Online- und

Echtzeit-Prozessdaten direkt aus dem Herstellungsbetrieb zuzugreifen und diese zu analysieren. Das konfigurierbare, Win-dows-basierte System erfasst Daten von ABB- und/oder Drittanbieter-Analyse-geräten und analysiert diese, um den Ist-zustand des Prozesses zu bestimmen.

6 Grafische Oberfläche des apPAT-Systems

ABB arbeitet mit irischen Universitä-ten und führenden biopharmazeutischen Unternehmen an Modellen für eine PAT-gestützte, modell basierte Rege lung eines Fed-Batch-Prozesses.

5 Blockdiagramm des Systems

PLS(Prozess-Controller)

Reaktor

Probenahmeventile Probe-verteilung

Atline-Analysato-

ren

Online-Analysatoren

Sensoren (pH, DO, T)

Datenmanager

Analysator-Controller

Analysator-Controller

Daten-analyse

Regelungs-modell

47

MARIO HOERNICKE, PHILLIP WEEMES, HEINO HANKING –

Die Computersimulation ist ein wertvolles Werkzeug, dessen Bedeutung in allen Bereichen der Technik immer weiter zunimmt. In der industriellen Leittechnik ist die Simulation ein wirksames Mittel, um den Vorbereitungsauf-wand für Prüfungen zu minimieren, umfangreiche Systeme nachzubilden, eine dynamische Prüfung der Systeme im Prozessbereich zu ermöglichen und somit die Notwendig-keit von Veränderungen an den Anwendungen bei der Inbetriebnahme zu reduzieren und letztendlich Anlagen-ausfallzeiten zu verkürzen. Die Simulation ist ein typischer Bestandteil der Werksabnahmeprüfung (Factory Accep-tance Test, FAT) von Leitsystemen und wird auch zur Mitarbeiterschulung eingesetzt. Für Feldbusse und Feld-

bussysteme wie Foundation Fieldbus (FF) ist diese Simulationsmöglichkeit jedoch nicht gegeben. Zwar kann die FAT für einzelne Regelkreise, aber nicht für komplette installierte Lösungen mit komplexen Wechselwirkungen und dezentralen Regelfunktionen durchgeführt werden. Da FF-Geräte in der Lage sind, Regelkreise auszuführen, ist das FAT-Verfahren fehleranfällig und garantiert nicht das korrekte funktionale Verhalten des Gesamtsystems. Dies war der Anstoß für die Entwicklung eines FF-Simula-tors, der eine dynamische Prüfung von Control-in-the-Field-Anwendungen für FF im Rahmen der FAT ermöglicht. Dieser Artikel befasst sich mit den technischen Heraus-forderungen der Entwicklung und der daraus resultieren-den Architektur und Technologie des Soft FF.

Soft FF senkt den Inbetriebnahmeaufwand durch Simulation von Foundation Fieldbus

Feldbusprüfung ohne Feld

Feldbusprüfung ohne Feld

48 ABB technik 1|12

führt jedes Gerät seine eigenen Funk-tionsblöcke aus.Durch Verknüpfung der Funktionsblöcke mehrerer Geräte kann eine leistungs-fähige Regelstrategie realisiert werden, wobei die Anwendung aus Verbindungen zwischen definierten und standardisier-ten Funktionsblöcken gebildet wird. Die Entwicklung von Regelstrategien kann daher als Konfiguration und Verknüpfung leistungsfähiger separater Funktionen beschrieben werden.Typische Regelkreise bestehen aus einem analogen Eingangsblock, einem PID-Block (Proportional-Integral-Diffe-renzial) und einem analogen Ausgangs-block ➔ 1. Der Sensor führt hierbei den analogen Eingangsblock aus, und der Aktor führt den PID- sowie den analogen Ausgangsblock aus.Wie bereits erwähnt, sind die FF-Funk-tionsblöcke in der Spezifikation der Fieldbus Foundation standardisiert und definiert [3, 4]. Sie bestehen aus mehre-ren Unterblöcken mit bestimmten Funk-tionalitäten wie Filterung, Linearisierung oder Alarmbehandlung. Außerdem defi-niert die Spezifikation Parameter für die E/A-Verbindung und die Konfiguration des Feldbusses. Ferner ist das Verhalten der Blöcke festgelegt, aber nicht der erforderliche Algorithmus. Deshalb kann jeder Anbieter zur Implementierung seine eigene Programmiersprache und seinen eigenen Programmierstil verwenden, so-lange das vorgegebene Verhalten erfüllt wird.

Herausforderung 1: Feldbusentwicklung

Obwohl das Funktionsblockdesign in FF standardisiert ist, besteht ein gewisser Freiraum für Interpretationen. In den meisten Fällen implementieren Anbieter die Standardfunktionalität, um die FF-

Da Inbetriebnahmestunden teurer sind als Prüfstunden bei der FAT, fallen die Gesamtkosten des Projekts höher aus (vgl. „Faktor-10-Regel“ [6]). Darüber hin-aus sorgen ungeprüfte Teile bei FF-An-wendungen für ein geringeres Vertrauen in die Lösungen, was wiederum zu hohen Kosten aufgrund mangelnder Qualität (Cost of Poor Quality, COPQ) führt. Der

Zweck der Soft FF-Lösung besteht darin, FF-Geräte bzw. -Netzwerke für dynami-sche FATs zu simulieren und das Verhal-ten echter Hardware nachzuahmen.

Herausforderungen und AnforderungenAls sogenanntes Feldleitsystem (Field Control System, FCS) [5] ist Foundation Fieldbus kein Feldbussystem mit zentra-ler Regeleinrichtung, sondern in der Lage, Regelstrategien direkt auf den Feldgeräten auszuführen. Daher können diese nicht als einfache Peripheriegeräte behandelt werden, die normalerweise nur Prozesswerte liefern und aufnehmen. FF-Geräte sind in der Lage, Prozessstra-tegien auszuführen. Anstatt dass mehre-re Regelkreise auf demselben Gerät aus-geführt werden, wie es bei Systemen mit zentralen Regeleinrichtungen der Fall ist,

L aut der ARC Advisory Group hat der Feldbus seinen Weg in die Prozessautomatisierung gefun-den, wobei in den nächsten

Jahren ein enormer Wachstumsanstieg zu erwarten ist [1].Mit der zunehmenden Komplexität von Anlagen steigt auch die Notwendigkeit zur Dezentralisierung von Steuercode, um eine bessere Verteilung der Rege-lungsaufgaben ohne Überlastung zentra-ler Regeleinheiten zu gewährleisten. Dies kann mit Foundation Fieldbus (FF) er-reicht werden [2]. Allerdings ist dieser Ansatz mit Problemen bei der Werksab-nahmeprüfung (FAT) verbunden, denn FF-Netzwerke können bei der FAT nur teilweise geprüft werden, weil die Hard-ware zu diesem Zeitpunkt noch nicht vorhanden ist. So wird die Konfiguration ohne die Sicherheit in Betrieb genom-men, dass die FF-Netzwerke richtig ab-gestimmt und parametriert sind. Ein Großteil des Prüfaufwands für FF-Netz-werke, insbesondere bei Control-in-the-Field-Anwendungen (CiF), fällt daher bei der Inbetriebnahme an.

Soft FF bietet eine offene Architektur zur nahtlosen Inte-gration erweiterter oder kundenspezi-fischer Feldbus-typen.

TitelbildProzessanlagen enthalten Abertausende von Regelkomponenten. Feldbusse ermöglichen den Informationsaustausch zwischen ihnen.

1 Typisches Beispiel eines AI-PID-AO-Regelkreises für eine CiF-Anwendung

AI_FF TagName AO_FF

<DEV002>

<DEV001>

<DEV001>

AI - Endr1INCAS_INBKCAL_INTRK_IN_DTRK_VALFF_VAL

CAS_INOUTAO - ABB0E-PID ABB2

PID

OUTBKCAL_OUT

OUTBKCAL_OUT

49Feldbusprüfung ohne Feld

Tool, zur Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) und anderen Simulatoren erfor-derlich. Um die Kommunikation während der Simulation sicherzustellen, mussten zwei Anforderungen erfüllt werden:– Die Kommunikation mit dem Enginee-

ring-Tool musste mithilfe des High-Speed-Ethernet-Protokoll (HSE) hergestellt werden. Da der Simulator auf einem standardmäßigen PC ausführbar sein muss, ist eine H1-Kommunikation (Zweidraht-Schnittstelle) nicht möglich.

– Der Namespace für den OPC-Server 1 musste bereitgestellt werden. Um eine Verbindung mit den Bedienergrafiken herstellen zu können, muss der Soft FF in der Lage sein, den Namespace des OPC-Servers mit Prozess- und Feldbusparametern zu füllen. So kann der Soft FF auch mit verschiedenen Arten von MMS verbunden werden.

Herausforderung 3: Konfiguration

Die dritte Herausforderung, die es zu bewältigen galt, lag in der Konfiguration des Simulators selbst. Hier gab es fol-gende Hauptanforderungen:– Da die Simulation nur auf der

HSE-Ebene funktioniert und keine H1-Protokolle bietet, die zum Herunterladen von Konfigurationen auf Geräte erforderlich sind, musste eine Möglichkeit gefunden werden, den Simulator anhand der im Engineering-Tool vorhandenen Informationen zu konfigurieren.

– Die Topologie des Subnetzes ist unbekannt, bis die Konfiguration des Simulators erfolgt ist. Das bedeutet, dass die Topologie neu aufgebaut werden muss, bevor die Anwendung simuliert werden kann.

Konformität sicherzustellen, und realisie-ren dann erweiterte Add-ons. Somit ist das Standardverhalten bei solchen Feld-bussen als Untermenge eines erweiter-ten Verhaltens implementiert. Der Funk-tionsblock bleibt zwar mit ähnlichen Blö-cken von anderen Anbietern austausch-bar, die Austauschbarkeit beschränkt sich aber auf die Standardfunktionalität.Hierin lag eine der größten Herausforde-rungen bei der Entwicklung von Soft FF, aus der sich folgende drei Hauptanforde-rungen hinsichtlich der Feldbusintegra-tion und -implementierung ergaben:– Zu integrierende Funktionsblöcke

mussten dem Standard entsprechend implementiert werden, um die gängige Standardfunktionalität ausführen zu können. Da jeder Funktionsblock recht komplex ist, musste ein modula-rer Ansatz gefunden werden, um eine möglichst umfangreiche Wiederver-wendung zu ermöglichen.

– Soft FF musste eine offene Architektur aufweisen, um eine nahtlose Integra-tion erweiterter oder kundenspezifi-scher Feldbustypen ohne Überarbei-tung der Software des Soft FF-Kerns zu ermöglichen.

– Erweiterte Feldbusse, die nicht in den Simulator integriert sind, mussten auf die Standardfeldbusse abgebildet werden, um grundlegende Interopera-bilitätsmerkmale für die Simulation verfügbar zu machen.

Herausforderung 2:

Kommunikationsschnittstellen

Weitere Herausforderungen, die es zu bewältigen galt, betrafen die Kommuni-kationsschnittstellen des Soft FF. Der Soft FF muss auf ähnliche Weise wie das reale Subnetz kommunizieren, d. h. es ist eine Verbindung zum Engineering-

Die Entwicklung von Regelstrate-gien kann als Konfiguration und Verknüpfung leistungsfähiger separater Funktio-nen beschrieben werden.

Fußnote1 OPC (OLE for Process Control) ist ein Schnitt-

stellenstandard, der von der OPC-Foundation gepflegt wird.

2 Gemeinsame Funktionsblöcke von standardmäßigen FF-Feldbussen (Auszug)

Sim

ulat

e

Sim

ualte

_D

Con

vert

Cut

off

Filte

r

Out

put

Ala

rm

Mod

e

Op

tiona

l Inv

ert

Out

put

Tra

ck

Set

poi

nt

Bia

s &

Gai

n

Sel

ectio

n

AI x x x x x x x

DI x x x x x x

ML x x x x x

BG x x x x x

CS x x x

PD x x x x x x

PID x x x x x x

FB

Block

3 Funktionsblock-Templates und ihre Verwendung

Filter

PID BlockFunktionsblock-Templates

INCAS_IN

OUT

Regelalgo-rithmus

AusgangAusgang

Alarm

Alarm

SollwertSollwert

50 ABB technik 1|12

tionalität in den Funktionsblöcken wie-derverwendet werden. Darüber hinaus wird durch Implementierung der spezifi-schen Schnittstellen und Übernahme der Template-Klassen der Feldbus für den Soft FF erkennbar. So kann jeder auf diese Weise implementierte Funktions-block im Soft FF verwendet werden. An-bieterspezifische und erweiterte Feld-busse können von den Standardfeldbus-sen abgeleitet werden. Die Standard-funktionalität steht bereits zur Verfügung, und nur die erweiterten Funktionalitäten und zusätzlichen Parameter müssen hin-zugefügt werden ➔ 4. Dank einer naht-losen Integration von Funktionsblöcken durch die Implementierung der Tem-plate-Klassen bzw. ihre Ableitung von einem integrierten Feldbus ist der Soft FF offen für zukünftige Erweiterungen – und anbieterspezifische Feldbusse.Zur Abbildung unbekannter Feldbus-typen kann ein in der FF-Spezifikation definierter Parameter verwendet werden. Jeder Feldbustyp besitzt eine bestimmte Profilnummer, die die enthaltene Stan-dardfunktionalität identifiziert. Auf der Grundlage des Profils kann der entspre-chende Standardfeldbustyp identifiziert und der unbekannte Typ auf den Stan-dardfeldbus abgebildet werden.

Evaluierung des PID-Regelalgorithmus

Um zu zeigen, dass die simulierten Funk-tionsblöcke das im Standard beschrie-bene Verhalten aufweisen, wurde der simulierte PID-Block mit dem PID-Funk-tionsblock des Temperaturtransmitters TMT165 von Endress+Hauser vergli-chen. Dazu wurde der PID-Regler mit einer einfachen Rückkopplungsschleife zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang versehen (ein Regelprozess mit einer Verstärkung von eins und ohne Zeitbeschränkungen). Die Regelkonstan-ten wurden konfiguriert, um eine stabile Regelung im geschlossenen Regelkreis zu gewährleisten.Die daraus resultierende Regelung wur-de simuliert und auf dem realen Gerät ausgeführt. In verschiedenen Zuständen wurden die Werte am Ausgang und der entsprechende Sollwert über mehrere Iterationen gemessen. Bei der Messung wurden OPC für das reale Gerät und eine eigene Software zum Speichern der Werte in einer Datei für den simulierten Teil verwendet.➔ 5 zeigt eine Sprungantwort von einem stabilen Zustand bei einem Sollwert von 10 auf einen neuen Sollwert von 20. Der

– Da der Simulator in der Lage sein muss, unabhängig zu funktionieren, ist eine Zwischendatei erforderlich. Diese kann auf andere PCs kopiert werden, um den Soft FF dort zu konfigurieren.

Technische LösungDie implementierte Technologie wird im Wesentlichen durch die Architektur des Soft FF-Kerns und die Architektur des Feldbusses geprägt.

Funktionsblock

Die Entwicklung der Standard-Funk-tionsblöcke folgt einem aus dem IT-Be-reich bekannten Prinzip: der Template-Methode (nach GoF:325 [7]). Diese Methode liefert sogenannte Code-Snip-pets (Schnipsel) für die internen Blöcke, die von mehreren Feldbussen verwendet werden. Analysen haben gezeigt, dass einige interne Blöcke mehr als einmal inner halb der Funktionsblöcke verwen-det werden ➔ 2, weshalb ihre Funktiona-lität verallgemeinert werden kann.Diese Templates können als Grundlage für die Entwicklung von standardmäßi-gen Funktionsblöcken (aber auch von anbieterspezifischen Funktionsblöcken) genutzt werden, womit die Grundeigen-schaften der Blöcke quasi vorgefertigt zur Verfügung stehen ➔ 3. Die Templates und Snippets lassen sich wie Teile eines Puzzles verwenden und werden an-schließend durch die funktionsblock-spezifischen Regelalgorithmen erweitert.Mit der Template-Methode kann die für die generischen Teile erforderliche Funk-

Da Inbetrieb-nahmestunden teurer sind als Prüfstunden bei der Werks-abnahmeprüfung, fallen die Gesamt-kosten des Pro-jekts höher aus.

4 Funktionsblock-Engine des Soft FF

FB-Templates

PID AIPID – ABB1

AI –Emerson

AO –ABB

AO

Funktionsblock-Engine

Plug-In-Schnittstelle

Block- Templates

Aus Templates zusammengesetztund um besondere Merkmale erweitert

Aus Templates zusammengesetztund um besondere Merkmale erweitert

Standard- funktionalität von Standard-block abgeleitet und erweitert

51Feldbusprüfung ohne Feld

durch Herunterladen von kompiliertem IEC 61131-3-Code konfiguriert. Im Fall des Soft FF ist diese Art der Konfigura-tion schwierig, da die Gerätetopologie vor Durchführung der Konfiguration noch unbekannt ist, aber für einen korrekten Download benötigt wird. Deshalb muss die Topologie des FF-Netzwerks zu-nächst mittels XML abgebildet werden.Da FF-Geräte nicht frei programmierbar sind, sondern durch Instantiierung und Parametrisierung standardisierter Funk-tionsblöcke entwickelt werden, lässt sich die Anwendung leicht mit XML abbilden. Der XML-Code kann mit verschiede- nen Tools generiert werden, sodass die Konfigurationsschnittstelle des FF-Simu-

lators vom Engi-neering-Tool unab-hängig ist.Bei richtiger Kon-figuration liefert der Soft FF ein ausführbares Ab-bild der Anwen-dungen vom Sub-netz. Während der Ausführung muss er in der Lage sein, mit den Enginee-ring-Tools und der

Prozessleitumgebung zu kommunizie-ren. Obwohl der Hauptzweck nicht in der Simulation des Netzwerkverhaltens liegt, wurden zwei Kommunikationsprotokolle implementiert:– HSE: Die HSE-Kommunikation ist in

einer separaten Schicht implemen-tiert. Sie ist teilweise von dem

Zustand am Eingang wurde konstant ge-setzt, d. h. der integrative Teil der PID-Regelung ist deaktiviert. Aus diesem Grund erreicht der Ausgang des PID nie-mals den Sollwert, sondern einen ande-ren stabilen Wert, der von anderen Kon-stanten abhängt. Die Ergebnisse zeigen eine erstaunliche Ähnlichkeit zwischen der Simulation und dem realen PID.

Architektur des Simulationskerns

Die FF-Simulation beinhaltet auch die Kommunikation mit den Engineering-Tools und dem Prozessleitsystem. Des-halb ist der zweite entscheidende Aspekt des Soft FF die Architektur und Techno-logie des Soft FF-Kerns, der letztendlich

die Funktionsblöcke ausführt und die Kommunikation mit den Engineering-Tools und der Prozessleitumgebung her-stellt.Zunächst muss der Soft FF-Kern konfi-guriert werden, um Informationen über das HSE-Subnetz zu erhalten. Üblicher-weise wird ein softwarebasierter Regler

Das Verhalten der Blöcke ist fest gelegt, aber nicht der erforder-liche Algorithmus. Deshalb kann jeder Anbieter seine eigene Programmier-sprache verwen-den, solange das vorgegebene Verhalten erfüllt wird.

Mit der zunehmenden Komplexität von Anlagen steigt auch die Notwendigkeit zur Dezentralisierung von Steuercode, um eine Über-lastung zentraler Regel-einheiten zu verhindern.

5 Beispielprüfung des PID-Funktionsblocks (IN.Status = konstant)

PID real, Sollwert von 10 auf 20, Eingangszustand konstant(Verstärkung 1,0, Nachstellzeit 1,0, Vorhaltzeit 0,01)

25,0

22,5

20,0

17,5

15,0

12,5

10,0

7,5

5,0

2,5

0,0

11:3

4:37

11:3

4:38

11:3

4:39

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4:40

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4:42

11:3

4:43

11:3

4:44

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11:3

4:47

11:3

4:37

PID simuliert, Sollwert von 10 auf 20, Eingangszustand konstant(Verstärkung 1,0, Nachstellzeit 1,0, Vorhaltzeit 0,01)

25,0

22,5

20,0

17,5

15,0

12,5

10,0

7,5

5,0

2,5

0,0

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1:25

11:4

1:27

52 ABB technik 1|12

Mario Hoernicke

ABB Corporate Research

Ladenburg, Deutschland

mario.hoernicke@de.abb.com

Phillip Weemes

ABB Process Automation,

Oil, Gas and Petrochemicals

Oslo, Norwegen

phillip.weemes@no.abb.com

Heino Hanking

ABB Automation GmbH

CosultIT Solutions

Minden, Deutschland

heino.hanking@de.abb.com

Literaturhinweise[1] Shah, H. (2007): „Automation Systems for

Process Industries Worldwide Outlook“. ARC Advisory Group

[2] O’Brien, L., Hill, D. (2007-02): „Foundation Fieldbus Provides Automation Infrastructure for Operational Excellence“. ARC Advisory Group, White Paper

[3] Fieldbus Foundation (2008): „FOUNDATION Specification Function Block Application Process Part 1, Revision: FS 1.8“

[4 Fieldbus Foundation, (2008): „FOUNDATION Specification Function Block Application Process Part 2, Revision: FS 1.8“

[5] Berge, J. (2004): „Fieldbus for Process Control: Engineering, Operation and Maintenance”. ISA

[6] Heimberg, R. (Oktober 2011): „Die digitale Fabrik erhält Einzug in die Prozessindustrie – visuelle Entscheidungssysteme im Anlagenbau“. Digital Plant Kongress, Würzburg

[7] Gamma, E., Helm, R., Johnson, R., Vlissides, J. (1995): „Design Patterns. Elements of Reusable Object-Oriented Software“. Addison Wesley

tem 800xA-Umgebung integriert. Hinzu kommen die Konfigurationsschicht und die Funktionsblock-Ausführungsschicht, die ebenfalls zur Erkennung der Funk-tionsblock-Plugins verwendet wird.

Eine wirksame LösungDie Simulation des FCS ist eine wichtige Notwendigkeit für die Durchführung von Prüfungen im Rahmen des Engineerings und der FAT. Dadurch, dass Soft FF bei FF-Anwendungen eine ähnliche Heran-gehensweise ermöglicht wie bei regler-basierten IEC 61131-3-Anwendungen, wird das Vertrauen in die entwickelten Lösungen gestärkt, und die COPQ und der Inbetriebnahmeaufwand bei FF-Pro-jekten werden reduziert. Außerdem kön-nen die FATs auf die gesamte FF-Lösung ausgedehnt werden, um ein korrektes funktionales Verhalten der interoperablen Feldbusse sowie der Parameter der Feldbusse für die Kommunikation mit Reglern und die Querkommunikation zwischen Geräten und H1-Segmenten zu gewährleisten.Der Soft FF ist einfach zu handhaben, er ist offen für die Integration von standard-mäßigen, anbieterspezifischen und be-nutzerdefinierten Feldbussen, und er bietet die erforderliche Konnektivität für das Engineering und die FAT sowie für eine Vielzahl von Engineering-, Prozess-leit- und Betriebsführungstools. Damit bietet der Soft FF beste Voraussetzun-gen, um den Einsatz von Feldbussen in der Prozessindustrie weiter zu voranzu-treiben.

Engineering-Tool für den Simulator abhängig, da einige Protokollmerk-male nicht simuliert werden. Deshalb muss sie ausgetauscht werden, wenn ein anderes Tool für den Online-Zu-gang verwendet wird. Trotzdem ist die Software so ausgelegt, dass sie eine austauschbare Schnittstelle für die HSE-Kommunikation bietet.

– OPC: Die OPC-Kommunikation ist von der HSE-Kommunikation unabhängig. Normalerweise liefern die HSE- und H1-Geräte die Prozesswerte an den OPC-Server. In der Simulation ist dies nicht möglich, da keine realen Geräte vorhanden sind. Da der OPC-Server die Werte auch direkt von der HSE-Schicht abgreifen kann, ist er im Soft FF in gewisser Weise auch von ihr abhängig. Die HSE-Schicht muss also die Prozesswerte, Alarme und Ereignisse bereitstellen, um die OPC-Kommunikation sicherzustellen. Daher ist die OPC-Schicht eine besondere Schicht, die einerseits als separate Schicht betrachtet werden kann, aber bei einer Änderung der HSE-Schicht ebenfalls geändert werden muss.

Das Szenario für die System 800xA-Um-gebung ist in ➔ 6 dargestellt. Die HSE-Schicht ist so implementiert, dass die Anforderungen des Fieldbus Builder FF erfüllt werden, und die OPC-Schicht ist so implementiert, dass sie die Prozess-, Alarm- und Ereigniswerte an den OPC-Server FF liefert. Auf diese Weise wird die Soft FF-Technologie eng in die Sys-

Der Soft FF bietet beste Voraus-setzungen, um den Einsatz von Feldbussen in der Prozess-industrie weiter voranzutreiben.

6 Schnittstellen des Soft FF

800xA + Bedienerbildschirme

OPC Server

FF-Simulator

Fieldbus Builder FF

Konfigurationsschicht

FB Execution Engine

PID AI AO

OP

C-S

chic

ht

HS

E-S

chic

ht

HSEOPC XML

53Design für Augen und Ohren

Innovatives Türkommunikationssystem gewinnt internationalen Designpreis

JÜRGEN HÖGENER – Produkte des ABB-Konzerns machen häufig aufgrund ihrer technischen Merkmale auf sich auf-merksam. Das Türkommunikationssystem von Busch-Jaeger (ein Unternehmen des ABB-Konzerns) ist da keine Ausnah-me. Doch mit dem Gewinn des iF product design award 2012 geht dieses Produkt noch einen Schritt weiter. Und nicht nur

das – anlässlich der internationalen Einrichtungsmesse imm cologne erhielt Busch-Jaeger die Auszeichnung „Interior Innovation Award – Winner 2012“ für vier seiner Produkte: die Busch-Welcome® Außenstation Audio, die Busch-Welcome® Außenstation Video, die Busch-Welcome® Innenstation Audio mit Display und das Busch-WelcomePanel®.

Design für Augen und Ohren

54 ABB technik 1|12

übertragung in beide Richtungen), Frei-sprechfunktion und Störgeräuschunter-drückung sorgen für eine hervorragende Sprachübertragung und optimale Kommu-nikation. Die Außenstation Audio ist für die Auf- oder Unterputzmontage und in gebürstetem Edelstahl oder weiß be-schichtetem Metall erhältlich. Alle Modelle sind zum Schutz gegen Vandalismus besonders robust gebaut.

Großartige AussichtenDie hochwertige Farbkamera der Busch-Welcome Außenstation Video mit integ-rierter Sprechfunktion besitzt ein beson-ders großes Sichtfeld (104° in der Diago-nalen), das über eine Verstellvorrichtung um 15° horizontal und vertikal den bau-lichen Gegebenheiten angepasst werden kann. Die Umschaltung von Tag- auf Nachtbetrieb erfolgt automatisch. Durch zusätzliche Ausleuchtung des Sichtbe-reichs mit Infrarot-LEDs können Besu-cher auch im Dunkeln gut erkannt wer-den. Die Station ist mit bis zu 12 Klingel-tasten erhältlich.

Für drinnen steht die Innenstation Audio mit einem 3,8 cm (1,5“) großen, mono-chromen Display oder einem Hörer zur Verfügung ➔ 1. Fünf verschiedene wähl-bare Klingeltöne ermöglichen die Unter-scheidung zwischen Türruf und Etagen-ruf. Die Lautstärke ist einstellbar. Große,

Das System ermöglicht Audio- und Video-Türkommunikation für Ein- und Zweifamilienhäuser, Geschäftsgebäude

und Wohnkomplexe mit bis zu 15 Wohn-einheiten und ist sowohl für Neubauten als auch für Modernisierungsprojekte geeignet. Die Zweidraht-Bustechnik sorgt für eine einfache und schnelle Installa-tion, für die vorhandene Kabel häufig ausreichen. Auch die Umstellung einer reinen Klingelanlage auf eine Video-Außen station ist möglich.

Sprechen Sie hierÜber die beleuchtete Außenstation Audio können sich Besucher bemerkbar machen und mit den Bewohnern sprechen. Voll-duplexbetrieb (d. h. gleichzeitige Sprach-

S eit ewigen Zeiten stellt die Vordertür einer Behausung die Verbindung zwischen dem privaten Lebensraum der

Bewohner und der Öffentlichkeit dar. Die Produktserie Busch-Welcome® von Busch-Jaeger nutzt die Technik des 21. Jahrhunderts, um dieses vertraute und traditionelle Merkmal eines Hauses den Komfort-, Sicherheits- und Design-anforderungen einer modernen Wohn-umgebung anzupassen.

Busch-Welcome ist ein innovatives Tür-kommunikationssystem, das sich für zahlreiche Anwendungen und Anforde-rungsprofile eignet. Moderne Zweidraht-Technik, intuitive Bedienung und elegan-te Ausführung setzen neue Maßstäbe in Design, Funktion und Technik. Dank sei-nes ganzheitlichen technischen Ansatzes lässt sich das System problemlos in die Gebäudesystemtechnik integrieren.

TitelbildDie Busch-Welcome Produkte eröffnen eine neue Dimension der Türkommunikation – und wurden anlässlich der Fachmesse imm cologne mit einem Designpreis ausgezeichnet. Hier zu sehen ist die Busch-Welcome Außenstation Video, die mit einer hochauflösenden Videokamera mit einem diagona- len Erfassungswinkel von 104° ausgestattet ist.

1 Die Busch-Welcome Innenstation Audio ist mit Display oder Hörer erhältlich.

Das Busch-Wel-come IP-Gateway ermöglicht die Integration der Audio- und Video-signale in die Gebäudesystem-technik.

55Design für Augen und Ohren

einen Seite mit dem Ethernet IP-Netz-werk auf der anderen Seite.

Inspirierendes DesignDas neue Türkommunikationssystem von Busch-Jaeger begeistert auch die Design-welt: Das Busch-Welcome System wurde mit dem renommierten „iF product design award 2012“ der iF International Forum Design ausgezeichnet. Außerdem erhielt Busch-Jaeger anlässlich der Fachmesse imm cologne die Auszeichnung „Interior Innovation Award – Winner 2012“ für vier Produkte, die in einer gesonderten Aus-stellung präsentiert wurden.

Das Design des Busch-Welcome Sys-tems ist in der Tat bemerkenswert – nicht nur wegen seiner intuitiven Bedienung, sondern auch aufgrund der verwendeten hochwertigen Materialien und der her-vorragenden Qualität der Oberflächen. Mit seinen Auf- und Unterputzgeräten und seiner dezenten Ästhetik fügt es sich sowohl im Innen- als auch im Außenbe-reich harmonisch in jede Architektur ein. Im Innenbereich passen die Produkte in Form und Material perfekt zu den Licht-schaltern und Steckdosen von Busch-Jaeger. Dieser ganzheitliche Ansatz und die Einheitlichkeit des Designs sorgen für eine konsistente Optik in jedem Raum.

Es sind unter anderem diese Qualitäten, die die Preisrichter bei der Vergabe von zwei der renommiertesten internationa-len Designpreise in Deutschland über-zeugt haben.

Jürgen Högener

Busch-Jaeger Elektro GmbH,

ein Unternehmen des ABB-Konzerns

Lüdenscheid, Deutschland

juergen.hoegener@de.abb.com

Busch-Welcome® SystemkomponentenDie Busch-Welcome Systemzentrale in Form eines Reiheneinbaugeräts versorgt und steuert die angeschlossenen System-komponenten, d. h. die Innen-/Außen-stationen Audio/Video, und bietet An-schlussmöglichkeiten für einen Türöffner und eine Flurbeleuchtung.

Mithilfe des Busch-Welcome Videover-teilers Außen können Außenstationen Video an die Systemzentrale angeschlos-sen werden. Dies bietet sich zum Bei-spiel bei Gebäuden mit mehreren Ein-gängen an. Umgekehrt bietet der Busch-Welcome Videoverteiler Innen die Mög-lichkeit, das Videosignal von der Ein-gangstür im Gebäude zu verteilen. So kann das Displaybild in verschiedenen Wohnungen oder mehreren Räumen empfangen werden. Der Videoverteiler Innen ist als Einbau gerät zur Unterputz-montage oder als Reihen einbaugerät erhältlich.

Das Busch-Welcome IP-Gateway für das Busch-ComfortPanel® ermöglicht die In-tegration der Audio- und Videosignale des Busch-Welcome Systems in die Gebäude systemtechnik. So wird das Busch-ComfortPanel zur komfortablen Video-Innensprechstelle. Das IP-Gate-way verbindet das Zweidraht-Bussystem der Busch-Welcome Anlage auf der

gut erkennbare Tasten erlauben eine intuitive Bedienung der Funktionen Tür-öffner, Stummschaltung und Flurlicht. Die Installation der Variante mit Display erfordert zwei Unterputzmontagedosen, während für die Variante mit Hörer eine Aufputzmontagedose benötigt wird.

Wer kommt denn da?Die Videofunktionen des Systems kom-men am besten in Kombination mit dem sogenannten Busch-WelcomePanel® zur Geltung. Es zeigt Besucher hochauf-lösend und in kontrastreichen Farben auf einem 17,8 cm (7“) großen TFT-Touchdisplay ➔ 2. Sechs Schnellzugriffs-tasten und eine selbsterklärende Touch-bedienung ermöglichen eine intuitive Bedienung aller Funktionen. Während des Gesprächs mit dem Besucher vor der Tür können Fotos aufgenommen und gespeichert werden. Bei Abwesen-heit werden von jedem Besucher nach dem Klingeln automatisch drei Bilder auf genommen. Das Busch-Welcome-Panel lässt sich leicht an der Wand montieren.

Im Standby-Modus kann das Busch-WelcomePanel als elektronischer Bilder-rahmen zur Darstellung eigener Bilder genutzt werden. Hierzu ist lediglich eine standardmäßige SD-Karte erforderlich.

2 Das Busch-WelcomePanel verfügt über ein hochwertiges 17,8 cm (7“) großes TFT-Touchdisplay.

56 ABB technik 1|12

CHRISTOPHER WATTS – In der industriellen Produktion ist für die kommenden Jahrzehnte mit weiterem Wachstum zu rechnen. Aufgrund zunehmender Bedenken hinsicht- lich des Klimawandels stehen die Unternehmen jedoch gleichzeitig unter dem Druck, ihren „ökologischen Fuß-abdruck“ zu minimieren. In einer kürzlich von ABB in Auftrag gegebenen und von der Economist Intelligence Unit durch geführten Umfrage bei Führungskräften in der Industrie wurde deutlich, wie wichtig Energieeffizienz für

eine langfristige Rentabilität ist und welche Hemmnisse neuen Investitionen in energieeffiziente Technologien im Wege stehen. Trotz dieser Hemmnisse gaben die meisten Befragten an, dass sie für die kommenden Jahre eine Zunahme der Investitionen in Energieeffizienz erwarten. Der Grund hierfür sind jedoch nicht freiwillige Energie-effizienzprogramme, sondern vielmehr neue Vorschriften, die die Unternehmen verstärkt unter Druck setzen, ihre Energieeffizienz zu verbessern.

Teil 3: Gesetzliche Vorschriften als Triebfeder

Sparsame Fertigungsbetriebe

57Sparsame Fertigungsbetriebe

Die Gesetzgebung entwickelt sich allmählich zu einer bedeutenden Trieb-feder für Investi-tionen in die indus-trielle Energie- effizienz.

durch die Gesetzgebung in der Europäi-schen Union zurückzuführen ist ➔ 5.

Tatsächlich entwickelt sich die Gesetz-gebung allmählich zu einer bedeutenden Triebfeder für Investitionen in die indust-rielle Energieeffizienz. Vorerst scheinen die Energievorschriften für die befragten Führungskräfte jedoch keine schwere Belastung darzustellen. So bezeichneten 50 % der Befragten die Gesetzgebung und die Vorschriften für Energieeffizienz in ihrem jeweiligen Land als „mäßig, nicht belastend“, während 40 % sie als „recht streng“ oder „sehr streng“ beschrieben. Energieversorgungsunternehmen halten die Vorschriften eher für streng (45 %) als Fertigungsunternehmen (39 %). Und während in den Industrieländern mehr

tionen in Energieeffizienz von einem Jahr zum nächsten (ausgehend von einem recht geringen Anteil) um 50 % erhöht, was auf die neuen Wärmerückgewin-nungsanlagen des Werks im westindi-schen Vadodara zurückzuführen ist. Ange sichts der allmählichen wirtschaft-lichen Stabilisierung und der Locke rung von Investitionsbeschränkungen ist es gut möglich, dass weitere Fertigungs-betriebe aus energieintensiven Branchen in naher Zukunft entsprechende Schritte unternehmen werden, um der Annähe-rung der Energiepreise an den Höchst-stand von 2008 entgegenzuwirken.

Obwohl die Investitionen in Energieeffizi-enz im vergangenen Jahr insgesamt nur moderat gestiegen sind, erwarten 73 % aller befragten Führungskräfte für die kommenden drei Jahre einen An stieg diesbezüglicher Ausgaben in ihrem Unter- nehmen. Etwa 13 % prognostizieren sogar einen erheblichen Anstieg. Westeuropa liegt hierbei mit 16 % leicht über dem Durchschnitt, was möglicherweise auf die Erwartung eines verschärften Drucks

D er dritte und letzte Artikel der Reihe „Sparsame Fertigungs-betriebe“ ➔ 1–3 geht der Frage nach, was die Industrie dazu

bewegt, in Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz zu investieren. Wäh-rend die Mehrheit der befragten Füh-rungskräfte (58 %) für das vergangene Jahr eine Steigerung der Investitionen gegenüber dem Vorjahr angab, berich-tete ein bedeutender Anteil (42 %) von unver änderten oder sinkenden Investi-tionen im letzten Jahr. Und selbst dort, wo mehr investiert wurde, betrug die Steigerung bei fast der Hälfte der Be fragten (48 %) lediglich 10 % oder weniger ➔ 4.

Positiv zu vermerken ist, dass mehr Fer-tigungsbetriebe in sehr energieintensiven Branchen (15 %) ihre Investitionen in Energieeffizienz deutlich gesteigert haben (mindestens 30 % gegenüber dem Vor-jahr) als Fertigungsbetriebe in weniger energieintensiven Bereichen (10 %) oder Stromversorger (5 %). Ein Beispiel hierfür ist Apollo Tyres. Hier wurden die Investi-

TitelbildABB hat Motoren, Antriebe, Transformatoren, Schaltanlagen und weitere Technik zur Steigerung der Energieeffizienz für die Aitik-Kupfermine in Schweden geliefert. Durch die Modernisierung des gesamten Minenbetriebs im Jahr 2010 konnte der Betreiber Boliden seine Produktionsleistung verdoppeln und die Betriebsdauer der Mine verlängern.

58 ABB technik 1|12

zu beurteilen und zu melden. „Wir sind nicht verpflichtet, auch nur eine dieser Möglichkeiten umzusetzen“, sagt Ian Gilmour, SHE and Manufacturing Mana-ger beim australischen Chemikalien-hersteller Orica. „Aber wir müssen das Audit durchführen und der Geschäfts-leitung die Möglichkeiten [zur Effizienz-steigerung] vorlegen. Ich halte das in der Tat für recht hilfreich.“

Während sich Politiker auf der ganzen Welt mit der Klimaproblematik befassen, treten neben freiwillige Energieeffizienz-

programme wie in den USA oder Australien zuneh-mend auch ver-bindliche gesetz-liche Regelungen. So traten in den USA im Jahr 2010 im Rahmen des Energy Indepen-dence and Securi-

ty Act neue Vorschriften für die Mindest-energieeffizienz von neuen, in den USA verkauften Industriemotoren in Kraft. In Kanada, Mexiko und Brasilien gibt es

Befragte die Gesetzgebung für streng erachten (45 %, bezogen auf West europa sogar 53 %) als in den Entwicklungslän-dern (32 %), bildet Nordamerika mit 31 % in dieser Hinsicht eine Ausnahme ➔ 6.

Ein lockerer regulatorischer RahmenBis vor kurzem gab es in nur wenigen Branchen verbindliche Vorgaben für die Energieeffizienz. Häufiger dagegen sind optionale Modelle wie das Energy-Star-Programm in den USA oder Energy Effi-ciency Opportunities (EEO) in Australien, die Unternehmen eine Basis zur Verbes-

serung ihrer Energieeffizienz bieten. So fordert das EEO-Programm teilnehmen-de Unternehmen dazu auf, Energieein-sparungsmöglichkeiten zu identifizieren,

Die in der ABB Technik veröffentlichte Artikelreihe befasst sich mit den Ergebnissen eines von ABB in Auftrag gegebenen und von der Economist Intelligence Unit (EIU) recherchierten und verfassten Berichts.Hierzu wurden 348 Führungskräfte vor allem aus Nordamerika, dem asiatisch-pazifischen Raum und Westeuropa zu geplanten Investitionen in die Energieeffizienz von Produktionsprozessen, zu den damit verbundenen Problemen und zu den Faktoren, die die industrielle Energieeffizienz in den kommenden Jahren beeinflussen werden, befragt.

Neben der Online-Umfrage führte die EIU 15 Gespräche mit Führungskräften, Entscheidungsträgern und anderen Experten für industrielle Energieeffizienz.

Der erste Artikel der Reihe, „Sparsame Fertigungsbetriebe – Sparsamer Umgang mit Energie“, erschien in der ABB Technik 3/2011 (Seite 7–12). Zu den Ergebnissen dieses ersten Teils gehören:– 88 % der Befragten sind der Meinung, dass

Energieeffizienz in den kommenden zwei Jahrzehnten eine entscheidende Rolle für den Erfolg ihres Unternehmens spielen wird.

– 72 % stimmen „voll“ oder „teilweise“ zu, dass Energieeffizienz schon heute einen entscheidenden Erfolgsfaktor für Ferti-gungsunternehmen darstellt.

– Für 59 % ist der Energiepreis einer der wichtigsten Einflussfaktoren bei Entschei-dungen über Investitionen in Energie-effizienz.

– Für 26 % ist die Verbesserung des Images Ihres Unternehmens ein weiterer Grund für Investitionen in Energieeffizienz.

7 6 ABB technik 3|11 Sparsame Fertigungsbetriebe

Mehr als zwei Drittel der Umfrageteilnehmer sind Führungskräfte auf Direktorenebene, die mit höchster Wahrscheinlichkeit Verant-wortung für Strategie- und Geschäftsent-wicklungen, Finanzen, die Gesamtgeschäfts-führung sowie den Betrieb und die Produk - tion tragen. Rund 58 % stammen aus Unter-nehmen mit einem weltweiten Jahresum-satz von mindestens 500 Mio. USD. Die Umfrage konzentrierte sich ausschließlich auf die Bereiche Fertigung und Energiever-sorgung, wobei die Fertigung den größten Anteil hatte.

I m Januar/Februar 2011 befragte die Economist Intelligence Unit (EIU) 348 Führungskräfte vor allem aus Nordame-rika, dem asiatisch-pazifischen Raum

und Westeuropa zu geplanten Investitionen in die Energieeffizienz von Produktionspro-zessen, zu den damit verbundenen Proble-men und zu den Faktoren, die die industri-elle Energieeffizienz in den kommenden Jahren beeinflussen werden. Dies ist der erste von drei Artikeln in der ABB Technik, die sich mit den Ergebnissen dieser Umfra-ge und einer Reihe von eingehenden Befra-gungen und Recherchen zur Energieeffizi-enz in der Industrie befassen. Darüber hinaus gründet die Studie auf einer umfas-senden Analyse des weltweiten Energie-verbrauchs in sieben energieintensiven In-dustriezweigen, die von Enerdata, einem Informations- und Beratungsunternehmen für Energie, durchgeführt wurde.

ChriStopher WattS – Die tatsache, dass für die Welt ein Zeitalter des energie-überflusses zu ende geht und ein Zeitalter der einschränkungen beginnt, stellt politik, Wirtschaft und Gesellschaft vor eine Vielzahl von komplexen herausforde-rungen. So gilt es unter anderem, den Konflikt zwischen einer Steigerung des Lebensstandards in den entwicklungsländern durch zunehmende industrialisie-rung einerseits und einer reduzierung der weltweiten auswirkungen der industri-ellen Fertigung auf die Umwelt andererseits zu lösen. eine Möglichkeit, diese herausforderung anzugehen, liegt in der Verbesserung der energieeffizienz im Kern industrieller produktionsprozesse.

Teil 1: Sparsamer Umgang mit Energie

Sparsame Fertigungs-betriebe

titelbild Die Entsalzungs- und Kläranlage in Palmachim (Israel). Der Entsalzungsprozess ist recht energie-intensiv, und ABB hat energieeffiziente Antriebe für die Anlage geliefert. Der Beitrag von ABB zur Wasserversorgung wird in Heft 4/2011 der ABB Technik näher beleuchtet.

2 Zusammenfassung von Teil 1: Führungskräfte erkennen die Bedeutung der Energieeffizienz

Führungskräfte erwarten für die kommenden drei Jahre einen Anstieg der Ausgaben für Energieeffizienz in ihren Unternehmen.

1 Sparsame Fertigungsbetriebe

Der zweite Artikel der Reihe, „Sparsame Fertigungsbetriebe – Bemühungen der Industrie um Verbesserungen“, erschien in der ABB Technik 4/2011 (Seite 55–59). Zu den Ergebnissen gehören:– Nur 40 % der Befragten gaben an, in den

letzten drei Jahren in Kapital, Anlagen oder Ausrüstung zur Steigerung der Energieeffizienz investiert zu haben.

– 46 % der Firmen verfügen über kein unternehmensweites Energiemanagement-system zur Verfolgung und Optimierung des Energieverbrauchs.

– Nur 34 % der Unternehmen haben ein Energieaudit für das gesamte Unternehmen bzw. den gesamten Konzern durchgeführt.

– 77 % der Befragten sind sich einig, dass in ihrer Branche „klarere Maßstäbe dafür benötigt werden, was Energieeffizienz ausmacht“.

55 54 ABB technik 4|11 Sparsame Fertigungsbetriebe

D er erste Artikel dieser Reihe, erschienen in der ABB Technik 3/2011, befasste sich mit der Bedeutung von Energieeffizienz

für die Industrie ➔ 2. Grundlage hierfür waren die Ergebnisse einer von ABB in Auf­trag gegebenen und von der Economist In­telligence Unit durchgeführten Studie ➔ 1.

Obwohl sich die meisten Führungskräfte in der Industrie der Bedeutung der Energie­effizienz für den langfristigen finanziellen Erfolg durchaus bewusst sind, setzen nur relativ wenige dieses Wissen tatsächlich um, weshalb ein geringes Maß an Energie­effizienz weiterhin die Norm bleibt. Lediglich 40 % der Befragten gaben an, in den letz­ten drei Jahren in Ka­pital, Anlagen oder Ausrüstung zur Stei­gerung der Energie­effizienz investiert zu haben. Die meisten dieser Unternehmen sind in Entwicklungsländern ansässig. Dort liegt der Anteil der Unternehmen, die in sol­che Maßnahmen investiert haben, bei 49 %, in den Industrieländern sind es 34 %. Nord­amerika bildet in dieser Hinsicht klar das Schlusslicht: Lediglich 21 % der dort ansäs­sigen Befragten gaben an, in den letzten drei Jahren in Ausrüstung zur Steigerung der Energieeffizienz investiert zu haben.

Blickt man über Investitionen in Anlagen und Ausrüstung hinaus auf den Einsatz effizienzsteigernder Verfahrensweisen, bie­tet sich ein ähnliches, wenn auch nicht ganz so ernüchterndes Bild. Der Umfrage zufolge verfügen 46 % der Firmen über kein unternehmensweites Energiemanage­ ment system zur Verfolgung und Optimie­rung ihres Energieverbrauchs. Die Hälfte besitzt derartige Systeme, den restlichen Befragten ist dies nicht bekannt. Von den relativ kleinen Firmen (Jahresumsatz unter 1 Mrd. USD) verfügt eine klare Mehrheit von 55 % über kein Energiemanagement­

system. Diese Erkenntnisse sind umso überraschender, wenn man bedenkt, dass laut Experten einige überaus kosteneffek­tive Energiemanagementsysteme verfüg­bar sind ➔ 3.

Zum einen kann sich ein Energiemanage­mentsystem auf ein organisatorisches Rahmenwerk zur aktiven Lenkung des

ChriStopher WattS – Laut physikbuch ist energie die Fähigkeit, arbeit zu verrichten. arbeit wiederum ist die Grundlage jeder industriellen produk­tion. angesichts der ökologischen auswirkungen ihres energiebedarfs und der steigenden energiepreise ist die industrie gezwungen, ihre energienut­zung zu überdenken und eine spar­samere produktion anzustreben. Der zweite artikel unserer dreiteiligen reihe beschäftigt sich mit der Frage, warum das interesse an energieeffizienz in der industrie noch immer recht gering ist, obwohl deren Bedeutung weithin bekannt ist.

Teil 2: Bemühungen der Industrie um Verbesserungen

Sparsame Fertigungsbetriebe

titelbildDie Bedeutung von Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz ist in der Industrie weithin anerkannt. Dennoch lässt die Umsetzung in vielen Bereichen zu wünschen übrig. Das Titelbild zeigt die mechanische Winde des Totten­Bergwerks in Sudbury, Ontario (Kanada), die mit energieeffizien­ten Antrieben von ABB ausgestattet ist.

46 % der Firmen haben kein unternehmensweites Energie­managementsystem zur Ver­folgung und Optimierung ihres Energieverbrauchs.

3 Zusammenfassung von Teil 2: Bemühungen der Industrie um Verbesserungen

59Sparsame Fertigungsbetriebe

zen und Emissionshandel ist ein typi-sches Beispiel. „Ich glaube, der Druck zur Erreichung der für 2020 gesteckten Ziele innerhalb der EU wird zunehmen“, sagt Terry McCallion, Director of Energy Efficiency and Climate Change bei der European Bank for Reconstruction and Development (EBRD) in London. „Die Investi tionen werden stark von der Entwicklung der CO2-Märkte und davon abhän gen, welche Cap-and-Trade-Sys-teme vorhanden sein werden, die sich auf die Geschäftsprozesse der Unter-nehmen auswirken.“

Neben den Vorgaben von gesetzlicher Seite wird der Druck zum nachhaltigen Handeln auch innerhalb des Geschäfts-umfelds und der Unternehmen selbst zunehmen. „Viele Kunden verlangen von ihren Zulieferern einen bewussteren Um-gang mit den Folgen ihres Tuns, und das hat in diesem Bereich viele zum Nach-denken und meines Erachtens auch zum Handeln gebracht“, sagt Steve Schultz, Global Manager of Corporate Energy bei dem US-amerikanischen Industrie- und Konsumgüterhersteller 3M. Der Chemi-kalienhersteller BASF hat seinerseits eine konzernweite Initiative ins Leben gerufen, die bis 2020 eine Steigerung der Energieeffizienz in der Chemikalien-produktion um 25 % gegenüber 2002 anstrebt. „Im Rahmen dieser Initiative haben wir 2009 den spezifischen Ener-gieverbrauch pro Tonne Produkt im chinesi schen Raum um 17 % gesenkt“, so Zheng Daqing, Vorstandsmitglied bei BASF Greater China.

inzwischen ähnliche Vorgaben, und Mitte 2011 wurde in der Europäischen Union eine entsprechende Verordnung in drei Stufen verabschiedet. In Indien trat im April 2011 im Rahmen des nationalen Aktionsplans zum Klimawandel das PAT-Programm (Perform, Achieve and Trade) in Kraft ➔ 7.

Diese Vorschriften richten sich speziell an die Energieeffizienz in der Industrie. Unternehmensführungen erwarten jedoch noch weitere Maßnahmen, die ein stär-keres Engagement zur Verbesserung der Energieeffizienz verlangen werden. Zum Beispiel führt die Europäische Union seit 2008 schrittweise das Emissionshan-delssystem EU ETS (European Union Emission Trading System) ein, das im Rahmen eines weiter gefassten Maßnah-menpakets zur Minderung des Klima-wandels dazu beitragen soll, den CO2-Ausstoß bis zum Jahr 2020 um 20 % gegenüber dem Wert von 1990 zu sen-ken. Auch in China kündigen sich neue Vorschriften an. „Es ist offensichtlich, dass die Gesetzgebung in China immer strenger wird“, sagt Wan Xiaotao, Susta-inable Development Coordinator bei Bayer China.

Solche Maßnahmen zur Minderung des Klimawandels werden sich auch auf weniger energieintensive Fertigungs-branchen auswirken. Dies gilt besonders für Unternehmen, in denen der Energie-verbrauch einen erheblichen Anteil an der Umweltwirkung hat, z. B. in Form von CO2-Emissionen. Das Cap-and-Trade-System der EU mit Emissionsobergren-

Während sich Politiker auf der ganzen Welt mit der Klimaproble-matik befassen, treten neben frei-willigen Energie-effizienzprogramme zunehmend auch verbindliche gesetzliche Regelungen.

4 In wieweit haben sich die Investitionen ihres Unternehmens in Energieeffizienz gegenüber dem Vorjahr verändert?

4 %

6 %

21 %

28 %

33 %

5 %

2 %

1 %

0 %

0 10 20 30 40 50 60

Steigerung um über 50 %

Steigerung um 30–50 %

Steigerung um 10–30 %

Steigerung um 1–10 %

Keine Veränderung

Senkung um 1–10 %

Senkung um 10–30 %

Senkung um 30–50 %

Senkung um über 50 %

5 Wie werden sich die Investitionen Ihres Unternehmens in Energieeffizienz in den nächsten drei Jahren entwickeln?

6 %

8 %

29 %

30 %

22 %

0 %

1 %

0 10 20 30 40 50 60

Steigerung um über 50 %

Steigerung um 30–50 %

Steigerung um 10–30 %

Steigerung um 1–10 %

Keine Veränderung

Senkung um 1–10 %

Senkung um 10–30 %

Senkung um 30–50 %

Senkung um über 50 %

3 %

2 %

60 ABB technik 1|12

rungsmöglichkeiten zur Erhöhung der Effi zienz gibt.“ In solchen Fällen lässt sich die Effizienz durch Weiterentwicklung der Produktionsprozesse steigern ➔ 8. „Zum Ende dieses Jahrzehnts werden wir mit großer Wahrscheinlichkeit erste Verände-rungen bei den Fertigungsprozessen sehen“, prognostiziert Ajay Mathur, General direktor des staatlichen indischen Bureau of Energy Efficiency (BEE).

Dabei spielen Forschung und Entwicklung, Innovation und Zusammenarbeit natürlich eine zentrale Rolle, wie L. Rajasekar, Exe-cutive President beim indischen Zement-hersteller UltraTech Cement, betont. Sein Unternehmen investiert üblicherweise 0,2 bis 0,3 % des Jahresumsatzes in die eigene Forschung und Entwicklung und finanziert zusätzlich gemeinsame For-schungsprogramme der European Cement Research Academy in Düsseldorf. „Wir brauchen mehr Zusammenarbeit in der Forschung, denn manche Dinge sind in einzelnen Unternehmen nicht möglich“, so Rajasekar. „Am Ende müssen die Ergeb-nisse für die gesamte Branche [von Nut-zen] sein.“

Vorhandene Technologien weisen den WegAuf der Suche nach einem Mittelweg zwischen Maximierung der Rentabilität und Minimierung der Umweltbelastung werden sich Industrieunternehmen zu-nehmend mit dem Thema Energieeffizi-enz befassen. Laut Terry McCallion von der EBRD bieten vorhandene Techno-logien wie drehzahlgeregelte Antriebe und effiziente Motoren ein erhebliches Potenzial für eine kurzfristige Senkung des Energieverbrauchs in Produktions-prozessen. Darüber hinaus scheint auch beim Energiemanagement noch Verbes-serungspotenzial zu bestehen. Mit ande-ren Worten, eine erhebliche Verbesse-rung der Energieeffizienz scheint für viele Industrieunternehmen heute relativ leicht erreichbar.

In einigen Unternehmen ist dies jedoch nicht der Fall, wie Wan Xiaotao von Bayer China erklärt. „Bei Bayer MaterialScience in China sind die Anlagen und die Aus-rüstung ziemlich neu. Sie wurden in den vergangenen fünf bis sechs Jahren ge-baut, sodass es nur wenige Modernisie-

Seit 2008 führt die Europäische Union schrittweise das Emissionshandels-system EU ETS ein, das unter anderem dazu beitragen soll, den CO2-Ausstoß bis zum Jahr 2020 um 20 % gegenüber dem Wert von 1990 zu senken.

*In dem Land, in dem Ihr Unternehmen ansässig ist

15 %

25 %

50 %

8 %

1 %

0 10 20 30 40 50 60

Sehr streng

Recht streng

Mäßig, nicht belastend

Nicht vorhanden

Nicht bekannt

6 Wie würden Sie die Gesetze und Vorschriften zur Energieeffizienz beschreiben*?

Um die Verbesserung der Energieeffizienz in Indiens Schwerindustrie voranzutreiben, hat die indische Regierung ein Programm ins Leben gerufen, das die größten Industrieanlagen des Landes in die Pflicht nimmt. Das sogenannte PAT-Programm (Perform, Achieve and Trade) mit den ersten verbindlichen Verordnungen zur industriellen Energieeffizienz trat am 1. April 2011 in Kraft.

PAT ist ein marktbasiertes Instrument und ähnelt dem in anderen Ländern eingeführten CO2-Emissionshandel. Die PAT-Initiative gibt über 600 Einzelanlagen in acht Sektoren wie der Zementherstellung, Energieerzeugung, Chemikalien-, Zellstoff- und Papier-, Eisen- und Stahl- sowie Aluminiumindustrie Ziele zur Verbesserung ihrer Energieeffizienz vor. Alle diese Anlagen zusammen machen etwa die Hälfte des Energiebedarfs der indischen Industrie aus.

Jede der identifizierten Anlagen ist verpflichtet, ihren Energieverbrauch ausgehend vom derzeitigen Energiebedarf über einen Zeitraum von drei Jahren um einen bestimmten Prozent-satz zu reduzieren. Dabei gibt es weder einen branchenweiten Vergleichsmaßstab noch ist der geforderte Prozentsatz verhandelbar. Die Anlagenbetreiber sind verpflichtet, einen „Energie-Manager“ einzusetzen, ihren Energie-verbrauch den Behörden zu melden, Energie-effizienznormen zu erfüllen und ausgewiesenen Auditoren die Überprüfung der Einhaltung dieser

Vorschriften zu erlauben. Nichteinhaltungen werden mit saftigen Strafen geahndet.

Jede Industrieanlage erhält ein bestimmtes Kontingent an Energieeinsparungszertifikaten (ESCerts). Bei einer Übererfüllung der Ein-sparungsziele werden zusätzliche Zertifikate ausgestellt, die zu marktbestimmten Preisen an der indischen Energiebörse gehandelt werden können. Unternehmen, die ihre Verbesserungs-ziele nicht erreichen, können dies durch den Kauf zusätzlicher Zertifikate ausgleichen. Laut der indischen Regierung ist das Programm so angelegt, dass es dem anhaltenden starken Wachstum der indischen Industrie, der großen Verbrauchsbandbreite in einzelnen Sektoren und der Notwendigkeit von nicht manipulierbaren und nicht verhandelbaren transparenten Verfahren Rechnung trägt. Die Regierung erwartet eine 10–15%ige Verbesserung der Energieeffizienz innerhalb von 10 Jahren, die zum größten Teil durch den Einsatz neuer Technik erreicht werden soll.

L. Rajasekar, Executive President des indischen Zementherstellers UltraTech Cement unterstreicht die Bedeutung des neuen PAT-Programms für Investitionen zur Verbesserung der Energieeffizi-enz. „Bedenkt man die Strafen [für die Nichtein-haltung], verringert sich die Amortisationszeit praktisch um die Hälfte“, so Rajasekar. „Aus einer Amortisationszeit von sechs Jahren werden so drei Jahre. In gewisser Hinsicht hilft es uns.“

7 Indiens Politik erhöht den Druck auf die Industrie

61Sparsame Fertigungsbetriebe

In den Entwicklungsländern sind 38 % der Führungskräfte der Meinung, dass der Steuerzahler einen größeren Anteil der Kosten für die Erfüllung von Energie-effizienzanforderungen übernehmen soll-te. Von den Befragten aus Industrie-ländern sind hingegen nur 27 % dieser Ansicht. Im Hinblick auf das anhaltende Wachstum der industriellen Produktion in den Entwicklungsländern und das hohe Potenzial für absolute Energieeinsparun-gen plädieren einige Unternehmen in diesen Ländern für weitere politische Maßnahmen zur Förderung der Energie-effizienz in der Industrie, einschließlich technischer und finanzieller Hilfen. Satish

Agarwal, Chief of Corporate Manu-facturing bei Apol-lo Tyres im nordin-dischen Gurgaon, meint: „Energie-projekte können sehr kapitalinten-siv sein. Deshalb

sind staatliche Hilfen wie beispielsweise Steuervergünstigungen für diese Art von Investitionen immer hilfreich.“

Letztlich sind sich viele der befragten Führungskräfte einig, dass sich die meis-ten Investitionen zur Verbesserung der Energieeffizienz auszahlen – mit oder ohne staatliche Anreize. Angesichts immer strengerer Gesetze wird zuneh-mend deutlich, dass viele Unternehmen ihre Rentabilität langfristig nur durch

So verwundert es nicht, dass während sich die Industrie mit der Erfüllung von Energieeffizienz- und Umweltvorschriften befasst, die Frage auftaucht, wer das ganze bezahlt. Einige Industrieunter-nehmen fordern von der Politik eine Ver-besserung der steuerlichen Anreize und Subventionen für effizienzsteigernde Maßnahmen. In der Umfrage gaben 51 % der Teilnehmer an, dass es in ihrem Land Anreize oder Subventionen für Unterneh-men gibt, die in effizientere Ausrüstung investieren. In den Industrieländern scheint dies weiter verbreitet zu sein (55 % positive Antworten) als in den Entwicklungsländern (44 %). Pradeep

Monga, Director of Energy and Climate Change bei der Organisation der Verein-ten Nationen für industrielle Entwicklung (UNIDO) nennt Thailand als Beispiel für eine erfolgreiche Förderung der Energie-effizienz. „Der Energy Conservation Fund in Thailand bietet Unternehmen über bestimmte Banken günstige Darlehen für die Anschaffung energieeffizienter Aus-rüstung oder Systeme“, so Monga ➔ 9.

Es verwundert nicht, dass während sich die Industrie mit der Erfüllung der gesetzlichen Vorschriften befasst, die Frage auftaucht, wer das ganze bezahlt.

Eine erhebliche Verbesserung der Energieeffizienz scheint für viele Industrieunternehmen heute relativ leicht erreichbar.

Verbesserungen von Produktionsprozessen werden für die Energie-effizienz der Industrie in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Dies zeigen folgende zwei Beispiele aus dem chemischen Sektor.

Im Jahr 2011 eröffnete das thailändische Joint-Venture-Unternehmen SCG-Dow Group in der Nähe der Küstenstadt Map Ta Phut eine neue Anlage zur Herstellung von Propylenoxid (PO) nach dem neuen HPPO-Verfahren (Hydrogen Peroxide to Propylene Oxide). Der von Dow und BASF gemeinsam entwickelte Prozess benötigt 35 % weniger Energie und produziert 70–80 % weniger Abwasser als herkömmliche PO-Prozesse. Und da HPPO-Anlagen kleiner und einfacher gebaut sind als herkömmliche PO-Anlagen, ist für ihren Bau rund 25 % weniger Kapital erforderlich.

Die deutsche Bayer MaterialScience AG (BMS) baut zurzeit eine neue Produktionsanlage für TDI (Toluylen-Diisocyanat, ein Polyurethan-Roh-stoff) in Caojing in der Nähe von Shanghai (China). In der Mitte 2011 in Betrieb genommenen Anlage kommt ein neuer Produktionsprozess zum Einsatz, der über sieben Jahre lang entwickelt und erprobt wurde und 60 % weniger Energie und 80 % weniger Lösungsmittel benötigt als herkömmliche TDI-Prozesse. Da TDI zunehmend zum Wirtschaftsgut wird, tragen die Kosteneinsparungen zum Erhalt der Wettbewerbs-fähigkeit bei.

8 Energiesparende Prozessverbesserungen

51 %

47 %

46 %

41 %

38 %

25 %

37 %

20 %

2 %

5 %

3 %

0 10 20 30 40 50 60

Anreize und/oder Subventionen für den Einsatz effizienterer Betriebsmittel/Geräte

Effizienznormen für Betriebsmittel, Geräte usw.

Anreize zum Umstieg auf erneuerbare Energien

Forderung von Umweltverträglich-keitserklärungen oder -audits

Steuern auf Verschmutzung oder CO2-Emissionen

Standards für die Energieeffizienz von Gebäuden

Cap-and-Trade-Programme für CO2

„Green IT“-Codes (Energieeffizienznormen für IT-Ausrüstung)

Andere, bitte angeben

Keine Gesetzgebung vorhanden

Nicht bekannt

9 Welche Art von Gesetzen und Vorschriften setzt die Regierung in Ihrem Land zur Förderung industrieller Energieeffizienz ein?

62 ABB technik 1|12

Dieser Artikel ist der dritte von drei Artikeln zum Bericht „The frugal manufacturer: Using energy sparingly“, der von ABB in Auftrag gegeben und von der Economist Intelligence Unit recherchiert und verfasst wurde. Die Economist Intelligence Unit trägt die alleinige Verantwortung für den Inhalt des Berichts.

Die darin vermittelten Schlussfolgerungen und Meinungen spiegeln nicht notwendigerweise die Standpunkte des Auftraggebers wider. Weitere Informationen zum Thema Energieeffizienz für die Industrie, die Versorgungswirtschaft, Gebäude und den Transportsektor finden Sie unter www.abb.com/energyefficiency.

Die Economist Intelligence Unit dankt allen, die an der Umfrage teilgenommen haben, sowie den im Bericht zitierten Führungskräften.

Christopher Watts (Autor)

Aviva Freudmann (Editor)

The Economist Intelligence Unit

Anfragen bitte an:

Mark Curtis

ABB Corporate Communications

Zürich, Schweiz

mark.curtis@ch.abb.com

kontinuierliche Verbesserung ihrer Ener-gieeffizienz sichern können. Wer dies ignoriert, blickt einer unsicheren Zukunft entgegen. „Die Unternehmen, bei denen [Energie] kein bedeutendes Kosten-element ist oder die sich dieser Dinge nicht bewusst sind und hinterherhinken, sind diejenigen, die von den verschärf- ten gesetzlichen Anforderungen beson-ders hart getroffen werden“, so Terry McCallion.

Neue Vorschriften werden Unternehmen zunehmend dazu zwingen, ihre Energie-effizienz zu verbessern. Das Einspa-rungspotenzial, das mit vorhandenen Technologien realisiert werden kann, ist groß, und in Zukunft wird die Forschung – z. B. durch Neuerungen im Bereich der Prozesse – weitere Verbesserungen er-möglichen. Um ihre Rentabilität langfris-tig zu sichern, müssen Unternehmen eine kontinuierliche Verbesserung ihrer Energieeffizienz anstreben ➔ 10. Tun sie dies nicht, wird der Druck auf sie weiter zunehmen.

Angesichts immer strengerer Gesetze wird zunehmend deutlich, dass viele Unternehmen ihre Rentabilität lang-fristig nur durch kontinuierliche Verbesserung ihrer Energieeffizienz sichern können.

10 Energieeffizienz spielt in allen Industriezweigen eine wichtige Rolle, auch bei der Papierherstellung.

63Vorschau

Als Anbieter von Produkten, Dienstleistungen und Lösungen für eine Vielzahl von Industriebetrieben, Versorgungsunter- nehmen und Endverbrauchern trägt ABB zur Gestaltung einiger Aspekte der Welt von morgen bei. In Heft 2/2012 der ABB Technik präsentieren wir einige dieser Technologien und ihre Auswirkungen.

Während Online-Aktivitäten in der modernen Gesellschaft eine immer zentralere Rolle spielen, gewinnen auch die Daten- und Rechenzentren, die den stetig wachsenden Informationsfluss bewältigen, zunehmend an Bedeutung – und damit auch ihr Energiebedarf. ABB nutzt ihr umfangreiches Know-how auf dem Gebiet der Energie- und Automatisierungstechnik, um die Versor-gung dieser Verbraucher zu revolutionieren und gleichzeitig ihre Energieeffizienz und Zuverlässigkeit zu verbessern. Ebenfalls unter der Online-Thematik befassen wir uns mit Remote-Services und der Frage, wie Daten mit dem Serviceanbieter geteilt werden können, ohne die Integrität des Kunden oder seiner Systeme zu beeinträchtigen.

Weitere Themen der Ausgabe 2/2012 sind die Lokalisierung von Fehlern in Erdkabeln, die Verbesserung des ökologischen Fußabdrucks der Transformatorenfertigung, Gleichstromnetze für Schiffe, effiziente Motoren für die Bewässerung und eine Energie-Steuerzentrale für zu Hause.

Technologie im Fokus

Vorschau 2|2012

Editorial Board

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Clarissa HallerHead of Corporate Communications

Ron PopperHead of Corporate Responsibility

Eero JaaskelaHead of Group Account Management

Andreas MoglestueChief Editor, ABB Review

HerausgeberDie ABB Technik wird herausgegeben von ABB Group R&D and Technology.

ABB Technology Ltd.ABB ReviewAffolternstrasse 44CH-8050 ZürichSchweiz

Die ABB Technik erscheint viermal pro Jahr in Englisch, Französisch, Deutsch, Spanisch, Chinesisch und Russisch. Die ABB Technik wird kostenlos an Personen abgegeben, die an der Technologie und den Zielsetzungen von ABB interessiert sind. Wenn Sie an einem kosten- losen Abonnement interessiert sind, wenden Sie sich bitte an die nächste ABB-Vertretung, oder bestellen Sie die Zeitschrift online unter www.abb.com/abbreview.

Der auszugsweise Nachdruck von Beiträgen ist bei vollständiger Quellenangabe gestattet. Ungekürzte Nachdrucke erfordern die schriftliche Zustimmung des Herausgebers.

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LayoutDAVILLA AGZürich, Schweiz

ÜbersetzungThore Speck, Dipl.-Technikübersetzer (FH)D-24941 Flensburg, Deutschland

HaftungsausschlussDie in dieser Publikation enthaltenen Informationen geben die Sicht der Autoren wieder und dienen ausschließlich zu Informa tionszwecken. Die wieder-gegebenen Informationen können nicht Grund- lage für eine praktische Nutzung derselben sein, da in jedem Fall eine professionelle Beratung zu empfehlen ist. Wir weisen darauf hin, dass eine technische oder professionelle Beratung vor- liegend nicht beabsichtigt ist. Die Unternehmen der ABB-Gruppe übernehmen weder ausdrücklich noch stillschweigend eine Haftung oder Garantie für die Inhalte oder die Richtigkeit der in dieser Publikation enthaltenen Informationen.

ISSN: 1013-3119

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Mehr erneuerbare Energie fürs Stromnetz?

Natürlich.

Die Stromerzeugung mit Sonnen-, Wind- oder Wasserkraft ist in entlegenen Gebietenbesonders ergiebig: egal ob in Wüsten, in den Bergen oder auf hoher See. Energie- und Automationstechnik von ABB verbindet die erneuerbaren Energien mit demStromnetz, manchmal über sehr große Entfernungen. Etwa 70 Millionen Menschenkönnen so schon jetzt erreicht werden. Unsere Anstrengungen, erneuerbare Energienbesser zu nutzen, machen die Stromnetze intelligenter, schützen die Umwelt undleisten einen Beitrag zum Klimaschutz. www.abb.com/betterworld